Technologie PCB - À propos de la conception de compatibilité électromagnétique des alimentations à découpage

Avec le développement de la technologie de l'électronique de puissance, les modules d'alimentation à découpage ont commencé à remplacer les sources d'alimentation redressées traditionnelles et sont largement utilisés dans tous les domaines de la société en raison de leur taille relativement petite, de leur rendement élevé et de leur fonctionnement fiable. Cependant, en raison de la fréquence de fonctionnement élevée de l'alimentation à découpage, il existe des variations rapides de courant et de tension à l'intérieur, à savoir DV / DT et di / DT, qui provoqueront de fortes perturbations harmoniques et des perturbations de pointes du module d'alimentation à découpage et par conduction, Rayonnement et diaphonie ce chemin de couplage affecte le bon fonctionnement de ses propres circuits et d'autres systèmes électroniques et est bien sûr affecté par les interférences électromagnétiques d'autres systèmes électroniques. Il s'agit de la question de la compatibilité électromagnétique discutée, ainsi que de la conception des EMD perturbateurs électromagnétiques et des EMS sensibles électromagnétiquement concernant la compatibilité électromagnétique des alimentations à découpage. Étant donné que l'État a commencé à mettre en œuvre la certification 3C pour certains produits électroniques, la conformité d'un appareil électronique aux normes de compatibilité électromagnétique influencera la disponibilité du produit sur le marché, il est important de mener des recherches sur la compatibilité électromagnétique des alimentations à découpage.

La compatibilité électromagnétique est une discipline complète impliquant des théories telles que les mathématiques, la théorie des champs électromagnétiques, la propagation des antennes et des ondes radio, la théorie des circuits, l'analyse des signaux, la théorie des communications, la science des matériaux, la biomédecine, etc.

Lors de la conception de la compatibilité électromagnétique des alimentations à découpage, commencez par la conception du système et clarifiez les points suivants:

1. Préciser les critères de compatibilité électromagnétique auxquels le système doit satisfaire;

2. Identifier les parties critiques du circuit dans le système, y compris le circuit source de brouillage et le circuit de haute sensibilité;

3. Identifier les sources de perturbations électromagnétiques et les équipements sensibles dans l'environnement de travail de l'équipement d'alimentation;

4. Déterminer les mesures de compatibilité électromagnétique à prendre par l'équipement d'alimentation.

Un Analyse des sources de bruit internes du convertisseur DC / DC

1. La récupération inverse de Diode provoque des interférences de bruit

Diodes de redressement de fréquence de puissance, diodes de redressement de haute fréquence, diodes de roue libre, etc. sont souvent utilisés dans les alimentations à découpage. Parce que ces diodes fonctionnent toutes à l'état commuté, comme représenté sur la figure, une pointe de tension VFP très élevée; Il y a un temps de récupération inverse trr pendant l'état passant de la diode à l'opération de blocage. Lors de la récupération inverse, une inversion se produit en raison de la présence de l'inductance d'encapsulation de la diode et de l'inductance du fil. Du fait de l'effet de stockage et de recombinaison des porteurs minoritaires, le pic de tension VRP va générer un courant transitoire de récupération inverse irp. Cette mutation rapide du courant et de la tension est la cause sous - jacente des perturbations électromagnétiques.

Formes d'onde de courant et de tension

2. Générer des interférences électromagnétiques lors de l'interrupteur de tube de commutation

Courant et tension pendant la récupération inverse de la diode courant direct et tension de la diode de forme d'onde

Dans les convertisseurs forward, push - pull et Bridge, la forme d'onde du courant circulant dans le tube de commutation ressemble à une onde rectangulaire sous charge résistive et contient une composition riche en hautes fréquences. Ces harmoniques haute fréquence provoquent de fortes perturbations électromagnétiques, Dans un convertisseur à contre - courant, lorsqu'une charge résistive est appliquée, la forme d'onde du courant circulant dans le tube de commutation est similaire à une onde triangulaire et il y a relativement peu de composantes harmoniques élevées. Lorsque le tube de commutation est en conduction, une grande mutation DV / DT et une tension de crête seront générées en raison du court temps de commutation et de la présence d'une inductance de plomb dans le circuit de l'onduleur. Lorsque le tube de commutation est fermé, le temps de fermeture est très long. En peu de temps, il produit de très grandes mutations de di / DT et des pics de courant très élevés qui créent de très fortes perturbations électromagnétiques.

3. Interférences électromagnétiques causées par des éléments magnétiques tels que des inductances, des transformateurs et d'autres: il y a des inductances de filtrage d'entrée dans l'alimentation à découpage, des transformateurs d'alimentation, des transformateurs d'isolation, des inductances de filtrage de sortie et d'autres éléments magnétiques. Il y a une capacité parasite entre le primaire et le secondaire du transformateur d'isolement, à travers laquelle passe le signal perturbateur haute fréquence. Couplage au côté secondaire; En raison du processus d'enroulement, etc., les transformateurs de puissance produisent une inductance de fuite en raison d'un couplage non idéal des côtés primaire et secondaire. L'inductance de fuite provoque des interférences de rayonnement électromagnétique. En outre, un courant pulsé à haute fréquence circule à travers les enroulements de la bobine du transformateur de puissance, créant un environnement à haute fréquence. Champ électromagnétique: le courant pulsé circulant dans l'inducteur crée un rayonnement de champ électromagnétique qui forme des pics de tension lorsque la charge est coupée soudainement. Dans le même temps, lorsqu'il fonctionne à saturation, il crée des variations soudaines de courant qui provoquent des perturbations électromagnétiques.

4. Les signaux impulsionnels périodiques à haute fréquence dans le circuit de commande, tels que les signaux impulsionnels à haute fréquence générés par l'oscillateur, produiront des harmoniques à haute fréquence et d'ordre supérieur, provoquant des interférences électromagnétiques sur les circuits environnants.

5. En outre, il y aura des interférences de boucle de terre, des interférences de couplage de co - Impédance et des interférences de bruit de puissance de contrôle dans le circuit.

6. La conception de câblage dans l'alimentation à découpage est très importante. Un câblage irrationnel peut provoquer des perturbations électromagnétiques qui interagissent par Inductance à travers la capacité de couplage et la distribution entre les fils ou rayonnent vers les fils adjacents, ce qui affecte le bon fonctionnement des autres circuits.

7. Interférences électromagnétiques causées par le rayonnement thermique. Le rayonnement thermique est un échange de chaleur sous forme d'ondes électromagnétiques. Cette perturbation électromagnétique affecte le fonctionnement normal et stable d'autres composants électroniques ou circuits.

2. Interférence électromagnétique externe

Pour une sorte d'électronique, les perturbations électromagnétiques causées par l'extérieur comprennent: les perturbations harmoniques dans le réseau électrique, la foudre, le bruit solaire, les décharges électrostatiques et les perturbations causées par les dispositifs de transmission à haute fréquence environnants.

Troisièmement, les conséquences des perturbations électromagnétiques

Les interférences électromagnétiques peuvent entraîner une distorsion du signal transmis, ce qui affecte le bon fonctionnement de l'appareil. Les perturbations électromagnétiques à haute énergie telles que la foudre et les décharges électrostatiques peuvent endommager l'équipement dans des cas graves. Pour certains appareils, le rayonnement électromagnétique peut entraîner la divulgation d'informations importantes.

Iv. Conception de compatibilité électromagnétique pour l'alimentation à découpage

Après avoir appris les sources de perturbations électromagnétiques internes et externes des sources d'alimentation à découpage, nous devrions également savoir que les trois éléments qui forment le mécanisme de perturbation électromagnétique sont le chemin de propagation et l'équipement perturbé. Par conséquent, la conception de la compatibilité électromagnétique des alimentations à découpage commence principalement par les trois aspects suivants: 1. Réduire l'énergie de perturbation électromagnétique de la source de perturbation; 2. Couper le chemin de propagation des interférences; 3. Améliorer la capacité anti - interférence de l'équipement perturbé.

Une bonne compréhension et maîtrise des sources d'interférences électromagnétiques des sources d'alimentation à découpage, de leur mécanisme de génération et des trajectoires de propagation des interférences est essentielle pour prendre des mesures anti - interférences afin que l'appareil réponde aux exigences de compatibilité électromagnétique. Comme la source d'interférence a une source d'interférence générée à l'intérieur de l'alimentation à découpage et une source d'interférence externe, on peut dire que la source d'interférence n'est pas éliminable et que le dispositif perturbé est toujours présent, on peut donc dire que le problème de compatibilité électromagnétique est toujours présent.

Voici un exemple de convertisseur DC / DC isolé pour discuter de la conception de la compatibilité électromagnétique des alimentations à découpage:

1. Conception du circuit de filtrage d'entrée du convertisseur DC / DC

Comme représenté, fv1 est une diode de réjection de tension transitoire et RV1 est une varistance. Les deux ont une forte capacité d'absorption de courant de surtension transitoire qui peut protéger les composants ou les circuits suivants contre les dommages causés par la surtension. Z1 est un filtre EMI à courant continu qui doit être bien relié à la terre, le fil de terre doit être court, de préférence monté directement sur un boîtier métallique, et une isolation blindée entre les fils d'entrée et de sortie doit être assurée pour couper efficacement la propagation des interférences conductrices le long du fil d'entrée. Les perturbations radiatives se propagent le long de l'espace. L1 et C1 forment un circuit de filtrage passe - Bas. Lorsque l'inductance de L1 est grande, les composantes V1 et R1 représentées sur la figure doivent être additionnées pour former une boucle de roue libre pour absorber l'énergie du champ électrique libéré lorsque L1 est déconnecté, sinon des pics de tension créés par les perturbations électromagnétiques de L1 seront formés. Le noyau magnétique utilisé par l'inductance L1 est de préférence un noyau fermé. Le champ de fuite du noyau magnétique en boucle ouverte avec entrefer provoque des perturbations électromagnétiques. La capacité de C1 est meilleure et permet donc de réduire les lignes d'entrée. Tension ondulée sur le fil d'entrée, réduisant ainsi le champ électromagnétique formé autour du fil d'entrée.

Circuit de filtrage d'entrée du convertisseur DC / DC

2. Conception de compatibilité électromagnétique pour les circuits inverseurs à haute fréquence, comme le montre la figure, un circuit inverseur à demi - Pont composé de C2, C3, v2 et V3, v2 et V3 sont des éléments de commutation tels que IGBT et MOSFET, qui conduisent et coupent à V2 et V3. Lors de la coupure, en raison du temps de commutation rapide et de la présence de l'inductance de plomb et de l'inductance de fuite du convertisseur, Les boucles produisent des mutations di / DT et DV / DT plus élevées, ce qui provoque des perturbations électromagnétiques. Ainsi, R4 et C4 sont ajoutés aux deux extrémités du côté primaire du transformateur. Pour former une boucle d'absorption, soit on met en parallèle les condensateurs C5 et C6 aux bornes de V2 et V3 et on raccourcit les conducteurs pour réduire les inductances des conducteurs ab, CD, GH et ef. Dans la conception, C4, C5 et C6 utilisent généralement des condensateurs à faible inductance. La taille du condensateur dépend de l'inductance du fil, de la valeur du courant dans la boucle et de la valeur de la tension de dépassement autorisée. La formule li2 / 2 = câ³v2 / 2 donne la grandeur de C, où l est l'inductance de boucle, I le courant de boucle et â³v la valeur de la tension de dépassement.

Pour réduire le vâ³, il est nécessaire de réduire l'inductance des conducteurs de boucle. Ainsi, un dispositif dit « bus Composite multicouche à faible inductance » est souvent utilisé dans la conception. L'inductance est réduite à un niveau suffisamment faible, jusqu'à 10 nH, pour atteindre le but de réduire les perturbations électromagnétiques de la boucle d'onduleur haute fréquence.

Tableau comparatif des formes d'onde de courant et de tension du tube de commutation

Du point de vue de la conception de la compatibilité électromagnétique, la fréquence de commutation des tubes de commutation V2 et V3 doit être réduite autant que possible et donc les valeurs di / DT et DV / dt. De plus, l'utilisation de la technologie de commutation douce ZCS ou ZVS permet de réduire efficacement les interférences électromagnétiques des boucles d'onduleurs haute fréquence. L'action de commutation rapide à des courants ou des tensions élevés est à l'origine du bruit électromagnétique. On choisit donc une topologie de circuit qui réduit le plus possible le bruit électromagnétique. Par exemple, dans les mêmes conditions, une topologie avant à deux tubes est plus susceptible de générer du bruit électromagnétique qu'une topologie avant à un seul tube. Les circuits à pont complet sont de petite taille et produisent moins de bruit électromagnétique que les circuits à demi - pont.

Du point de vue de la conception de la compatibilité électromagnétique, la fréquence de commutation des tubes de commutation V2 et V3 doit être réduite autant que possible et donc les valeurs di / DT et DV / dt. De plus, l'utilisation de la technologie de commutation douce ZCS ou ZVS permet de réduire efficacement les interférences électromagnétiques des boucles d'onduleurs haute fréquence. L'action de commutation rapide à des courants ou des tensions élevés est à l'origine du bruit électromagnétique. On choisit donc une topologie de circuit qui réduit le plus possible le bruit électromagnétique. Par exemple, dans les mêmes conditions, une topologie avant à deux tubes est plus susceptible de générer du bruit électromagnétique qu'une topologie avant à un seul tube. Les circuits à pont complet sont de petite taille et produisent moins de bruit électromagnétique que les circuits à demi - pont.

Les formes d'onde de courant et de tension sur le tube de commutation après ajout du circuit d'absorption sont comparées à celles sans circuit d'absorption, comme illustré sur la figure.

Circuit inverseur à demi - Pont

3. Conception d'EMC pour le transformateur à haute fréquence

Lors de la conception du transformateur haute fréquence T1, essayez de choisir un matériau de noyau avec de meilleures performances de blindage électromagnétique.

Comme représenté, C7 et C8 sont des circuits de couplage entre spires et C11 est un condensateur de couplage entre enroulements. Dans le cas d'un transformateur à enroulement, le condensateur distribué C11 est minimisé pour réduire le couplage des perturbations haute fréquence du côté primaire du transformateur vers l'enroulement secondaire. De plus, pour réduire encore les perturbations électromagnétiques, il est possible d'ajouter une couche de blindage entre les enroulements primaire et secondaire, et la couche de blindage est bien reliée à la masse, de sorte que des condensateurs de couplage C9 et C10 sont formés entre les enroulements primaire et secondaire du transformateur et la couche de blindage, et que le courant perturbateur haute fréquence circule vers la masse par C9 et C9.

Comme le transformateur est un élément chauffant, les mauvaises conditions de dissipation de chaleur vont inévitablement entraîner une augmentation de la température du transformateur et donc la formation d'un rayonnement thermique. Le rayonnement thermique se propage sous forme d'ondes électromagnétiques. Le transformateur doit donc avoir de bonnes conditions de dissipation thermique.

Typiquement, les transformateurs haute fréquence sont encapsulés dans un boîtier en aluminium. La boîte en aluminium peut également être montée sur un radiateur en aluminium et remplie de silicone électronique, ce qui permet au transformateur de former un meilleur blindage électromagnétique et d'assurer un meilleur effet de dissipation de chaleur. Réduit le rayonnement électromagnétique.

Conception EMC pour transformateurs haute fréquence

5. Conception EMC du circuit redresseur de sortie

Cette figure montre un circuit redresseur demi - onde de sortie, V6 étant une diode redresseuse et V7 une diode de roue libre. Comme V6 et V7 fonctionnent à l'état commuté haute fréquence, les sources d'interférences électromagnétiques du circuit redresseur de sortie sont principalement V6 et V7, R5, C12; il est relié respectivement à r6 et C13 pour former un circuit d'absorption de V6 et V7 destiné à absorber les pics de tension générés lors du fonctionnement de l'interrupteur et à se dissiper sous forme de chaleur sur R5 et r6.

La réduction du nombre de diodes redresseuses permet de réduire l'énergie des perturbations électromagnétiques. Ainsi, dans les mêmes conditions, l'utilisation d'un circuit redresseur à demi - onde générera moins d'interférences électromagnétiques que l'utilisation d'un redresseur à pleine onde et d'un redresseur à pont complet.

Pour réduire les perturbations électromagnétiques de la diode, il est nécessaire de choisir un dispositif à diode présentant des caractéristiques de récupération douce, un faible courant de récupération inverse et un court temps de récupération inverse. En théorie, les diodes à barrière de Schottky (sbd) conduisent un courant porteur majoritaire, sans effet de stockage et de recombinaison des porteurs minoritaires, de sorte qu'il n'y a pas d'interférence de pics de tension inverse. Avec une diode Schottky à tension de fonctionnement, le courant de récupération inverse augmente à mesure que l'épaisseur de la barrière électronique augmente, ce qui crée également un bruit électromagnétique. Ainsi, lorsque la tension de sortie est faible, les perturbations électromagnétiques générées par le choix d'une diode Schottky comme Diode DC seront inférieures à celles générées par le choix d'autres dispositifs à diode.

Conception de compatibilité électromagnétique des circuits redresseurs de sortie

6. EMC conception du circuit de filtrage DC de sortie

Le circuit de filtrage DC de sortie est principalement utilisé pour couper la propagation des perturbations de conduction électromagnétique le long du fil vers la fin de la charge de sortie, réduisant le rayonnement électromagnétique des perturbations électromagnétiques autour du fil.

Comme illustré, un circuit de filtrage LC composé de L2, C17 et C18 permet de réduire la taille des ondulations de courant et de tension de sortie et donc les perturbations électromagnétiques transmises par rayonnement. Les condensateurs de filtrage C17 et C18 doivent être connectés en parallèle avec autant de condensateurs que possible. Réduire la résistance série équivalente et donc la tension d'ondulation. L'inductance de sortie L2 doit être la plus grande possible pour réduire l'amplitude du courant ondulé de sortie. De plus, pour l'inductance L2, il est préférable d'utiliser un noyau magnétique en boucle fermée sans entrefer, de préférence pas une inductance de saturation. Lors de la conception, nous devons garder à l'esprit qu'il y a des variations de courant et de tension sur le fil et qu'il y a un champ électromagnétique changeant autour du fil qui se propage le long de l'espace et forme un rayonnement électromagnétique.

C19 pour filtrer les interférences de mode commun sur la ligne, essayez d'utiliser un condensateur à faible inductance, le câblage doit être court, C20, C21, c22, C23 pour filtrer les interférences de mode différentiel sur la ligne de sortie, un condensateur à trois extrémités à faible inductance doit être utilisé, la ligne de masse doit être courte et fiable.

Le Z3 est un filtre EMI DC. Son utilisation ou non dépend de la situation, qu'il s'agisse d'un filtre à un ou plusieurs étages. Cependant, le Z3 doit être monté directement sur un châssis métallique. Les lignes d'entrée et de sortie du filtre sont de préférence masquées et isolées.

Conception de compatibilité électromagnétique des circuits redresseurs de sortie

7. Conception de compatibilité électromagnétique pour contacteurs, relais et autres dispositifs de commutation

Une fois que le relais, le contacteur, le ventilateur, etc. est alimenté, sa bobine crée de grandes pointes de tension, ce qui provoque des interférences électromagnétiques. Ainsi, une diode ou un circuit d'absorption RC est connecté en parallèle aux deux extrémités de la bobine de courant continu et un circuit parallèle est connecté aux deux extrémités de la bobine de courant alternatif. Les varistances sont utilisées pour absorber les pics de tension générés après la mise hors tension de la bobine. En même temps, il convient de noter que si l'alimentation de la bobine du contacteur et l'alimentation auxiliaire d'entrée sont la même alimentation, il est préférable de passer un filtre EMI entre eux. Les interférences électromagnétiques sont également générées lorsque les contacts de relais agissent, de sorte qu'une boucle d'absorption RC doit être ajoutée aux deux extrémités du contact.

8. Conception de compatibilité électromagnétique de la structure de boîte de puissance de commutation

Choix du matériau: pas de matériau « isolant magnétique ». Le blindage électromagnétique utilise le principe du "court - circuit magnétique" pour couper le chemin de propagation des perturbations électromagnétiques dans l'air intérieur et extérieur de l'appareil. Lors de la conception de la structure de l'armoire pour l'alimentation à découpage, il est nécessaire de tenir pleinement compte de l'impact sur les interférences électromagnétiques

Effet de blindage, le principe de sélection du matériau de blindage est que lorsque la fréquence du champ électromagnétique perturbateur est élevée, en utilisant un matériau métallique à haute conductivité, l'effet de blindage est meilleur; Lorsque la fréquence des ondes électromagnétiques perturbatrices est faible, un matériau métallique à haute Perméabilité magnétique doit être utilisé, l'effet de blindage est meilleur; Dans certains cas, si les champs électromagnétiques haute et basse fréquence nécessitent un bon effet de blindage, on utilise généralement des matériaux métalliques à haute conductivité et à haute Perméabilité magnétique pour former un blindage multicouche.

Trou, espace, méthode de traitement de chevauchement: la méthode de blindage électromagnétique ne nécessite pas de refonte du circuit, peut atteindre un bon effet de compatibilité électromagnétique. Le corps de blindage électromagnétique idéal est un continuum conducteur sans fente, sans trou, sans pénétration et un corps d'étanchéité métallique à basse impédance, mais le corps de blindage complètement scellé n'a aucune valeur pratique, car dans le dispositif d'alimentation à découpage, il y a des trous d'entrée, de sortie, de dissipation de chaleur, etc. Et l'écart de chevauchement entre les parties de la structure de la boîte, si aucune mesure n'est prise, il se produit une fuite électromagnétique, ce qui réduit l'effet de blindage de la boîte, voire la perte totale de l'effet de blindage.par conséquent, dans la conception de boîtes de commutation, le chevauchement entre les tôles est préférable d'utiliser la soudure. Lorsque le soudage n'est pas possible, utilisez des rondelles électromagnétiques ou d'autres matériaux de blindage. L'ouverture de la boîte doit être inférieure à la longueur d'onde de l'onde électromagnétique à protéger. 1 / 2, sinon l'effet de blindage sera considérablement réduit; Pour les trous de ventilation, lorsque les exigences de blindage ne sont pas élevées, vous pouvez utiliser une tôle perforée ou un treillis métallique, lorsque l'efficacité du blindage est élevée et que l'effet de ventilation est bon, vous devez utiliser un guide d'onde de coupure. Et d'autres moyens d'améliorer l'effet de blindage. Si l'effet de blindage de la boîte ne répond toujours pas aux exigences, une peinture de blindage peut être appliquée sur la boîte. Il peut masquer partiellement les composants internes d'un appareil d'alimentation, tels que les sources d'interférence ou les appareils sensibles, en plus de l'armoire entière qui peut masquer l'alimentation à découpage.

Lors de la conception de la structure de l'armoire, concevoir un chemin de décharge de courant de faible impédance pour tous les composants de l'appareil qui sera soumis à des tests de décharge électrostatique. L'armoire doit avoir des mesures de mise à la terre fiables et assurer la capacité de charge du fil de mise à la terre. Dans le même temps, éloignez les circuits ou composants sensibles de ces circuits de décharge ou appliquez - leur des mesures de blindage de champ électrique. Pour le traitement de surface des pièces structurelles, un placage d'argent, de zinc, de nickel, de chrome et d'étain est généralement utilisé. Cela nécessite de prendre en compte la conductivité, les réactions électrochimiques, le coût et la compatibilité électromagnétique.

9. Conception MC dans la disposition des éléments et le câblage:

La disposition des composants internes des dispositifs d'alimentation à découpage doit tenir compte des exigences de compatibilité électromagnétique dans leur ensemble. Les sources de perturbation à l'intérieur de l'appareil peuvent affecter le fonctionnement d'autres composants ou composants par rayonnement et diaphonie. Des études ont montré qu'à une certaine distance de la source de perturbation, l'énergie de la source de perturbation est fortement atténuée, de sorte qu'une disposition raisonnable aidera à réduire les effets des perturbations électromagnétiques.

Les filtres d'entrée et de sortie EMI sont de préférence installés à l'entrée du châssis métallique et garantissent que les lignes d'entrée et de sortie sont blindées et isolées de l'environnement électromagnétique.

Gardez les circuits ou composants sensibles à l'écart des sources de chaleur.