Kretskortdesign:

Komponentens orientering kritisk for EMI?

Vil monteringsretningen til en SMPS-induktor påvirke EMI-stråling? Les hva vi fant ut.

Publisert

Spekteret av EMI-stråling produsert fra svitsjemodus strømforsyninger (SMPS) er en funksjon av en rekke parametere, inkludert størrelsen på «hot loop», svitsjehastighet ( stigetider) og frekvens, inngangs- og utgangsfiltrering, skjerming, layout og jordplan. En potensiell kilde til utslipp er svitsjenoden, referert til som SW på mange skjemaer. SW-nodens kobber kan fungere som en antenne, og overføre støyen som genereres ved rask og effektiv svitsjing med høy effekt. Dette er hovedkilden til EMI for de fleste svitsjede regulatorer.

Figur 1. SW-node i XY-planet i lag 1 på DC3008A LT8386 lav EMI LED-driver.
Figur 1. SW-node i XY-planet i lag 1 på DC3008A LT8386 lav EMI LED-driver.

Mengden av kobber i svitsjeSSnodens topplag bør absolutt minimeres for å begrense antennestørrelsen. Med en monolittisk svitsjeregulator (intern transistor i kretsen), vil linjene i topplaget fra kretsen til induktoren være kort . Med en kontroller (transistor utenfor svitsjekontrolleren ) kan SW-noden ha de fleste transistorene vekk fra kretsen. SW-nodens kobber kobles til den ene siden av induktoren i «buck and boost» svitsje-topologier. Fordi flere ytelsesparametere er involvert, er utlegg av Lag 1 for SW-noden i XY-planet til kretskortet, eller på interne lag, nærmest som svart magi (se figur 1).

Figur 2. Hvit stripe på Coilcraft XAL-induktoren markerer den korte spoleledningen fordi spoleledningene ikke er synlige. Den indikerer retningen til terminaler og kort ledning. Koble til høy dv/dt her for lavest EMI.
Figur 2. Hvit stripe på Coilcraft XAL-induktoren markerer den korte spoleledningen fordi spoleledningene ikke er synlige. Den indikerer retningen til terminaler og kort ledning. Koble til høy dv/dt her for lavest EMI.

Induktor-geometri

Selvfølgelig strekker SW-noden seg også vertikalt (i Z-planet) når induktorterminalene tas i betraktning. Den vertikale orienteringen kan øke antenneeffekten til SW-noden og øke emisjonene. Videre kan det hende at interne induktorviklinger ikke er symmetriske. Selv om en induktors symmetriske terminaler antyder en symmetrisk konstruksjon skjult i pakken, forteller polaritetsindikatoren på toppen av komponenten en annen historie. Figur 2 viser den interne viklingsstrukturen til Coilcrafts XAL-induktorserie. Den flate trådviklingen starter i bunnen av komponenten og slutter på toppen, så en terminal ender opp med å være mye kortere enn den andre i Z-planet.

Videre kan induktorer med en synlig SW-node på siden yte dårligere enn de med skjermet vertikalt metall, som vist i figur 3. En kortdesigner kan velge induktorer med minst antall vertikale og eksponerte terminaler for å redusere EMI, men hva med orientering av de to induktorterminalene og den relative effekten på stålingen?

Utslippene forteller historien

Lavutslippsytelsen til et kort som testes er en kombinasjon av utslipp fra kretsen og hensynet til layout. Selv med en monolittisk krets med lav stråling må man være forsiktig med utformingen, samtidig som man tar hensyn til sammenstillingen av de kritiske komponentene. For å bevise dette punktet undersøkte vi orienteringseffektene på kortet til hovedinduktoren, L1, til en LT8386 demonstrasjonskrets (se figur 4). I dette tilfellet spesifiserer induktorprodusenten, Coilcraft, den korte terminalen til induktorer i XAL6060-serien med en hvit linje på toppmerket på komponenten. Standard CISPR 25 utførte emisjonstester (CE) og utstrålte utslipp (RE) i EMI-kammeret viser at plasseringsretningen (se figur 5) til denne induktoren har en kritisk innvirkning på ytelsen.

Figur 3. Vær oppmerksom på induktorterminaltype på EMI-sensitive design - ikke kun på orientering.
Figur 3. Vær oppmerksom på induktorterminaltype på EMI-sensitive design - ikke kun på orientering.
Figur 4. SW-node uthevet i skjematisk visning av DC3008A LT8386 lav EMI LED-driver. Plasser kortsideterminalen ved Orientering 1 og Orientering 2 for å sammenligne de fullstendige utslippsresultatene.
Figur 4. SW-node uthevet i skjematisk visning av DC3008A LT8386 lav EMI LED-driver. Plasser kortsideterminalen ved Orientering 1 og Orientering 2 for å sammenligne de fullstendige utslippsresultatene.
Figur 5. Coilcraft XAL6060-223MEB induktororienteringstest av stråling med en DC3008A LT8386 LED-driver. En L1-orientering 1 (venstre) med kort terminal på SW-noden og L1-orientering 2 (høyre) med lang terminal på SW-noden. Utslippsresultater er vist i figur 6 til og med figur 8.
Figur 5. Coilcraft XAL6060-223MEB induktororienteringstest av stråling med en DC3008A LT8386 LED-driver. En L1-orientering 1 (venstre) med kort terminal på SW-noden og L1-orientering 2 (høyre) med lang terminal på SW-noden. Utslippsresultater er vist i figur 6 til og med figur 8.

Figur 6, figur 7 og figur 8 viser at utslippsytelsen til DC3008A påvirkes direkte av orienteringen til L1 på demonstrasjonskretsen, uten andre komponentendringer. Nærmere bestemt har lavfrekvent RE (150kHz til 150MHz) og FM-bånd CE (70MHz til 108MHz) lavere EMI med Orientering 1 - det vil si kortsideterminalen plassert på SW-noden. En forskjell på 17dBµV/m til 20dBµV/m i AM-båndet kan ikke ignoreres.

Ikke alle induktorer er skapt like. Vikleretningen, formen på terminalene, formen på terminalforbindelsene og til og med kjernematerialet kan variere. Styrken til H-feltet og E-feltet med forskjellige kjernematerialer og konstruksjonsforskjeller kan spille en rolle for varierende stråling mellom induktorer. Denne casestudien avslører imidlertid et problemområde som kan brukes til vår fordel.

Figur 6. Strålt utslipp viser at induktororienteringen på DC3008A har en betydelig innvirkning på resultatene. Med kortsideterminalen festet til SW-noden for den minste SW-antennen (rød), er utstrålte emisjoner (RE) drastisk forbedret.
Figur 6. Strålt utslipp viser at induktororienteringen på DC3008A har en betydelig innvirkning på resultatene. Med kortsideterminalen festet til SW-noden for den minste SW-antennen (rød), er utstrålte emisjoner (RE) drastisk forbedret.
Figur 7. Ledede utslipp (CE) med dagens probemetode viser forbedring (>3MHz) med kortsideterminalen til induktoren festet til bryternoden kontra den alternative polariteten.
Figur 7. Ledede utslipp (CE) med dagens probemetode viser forbedring (>3MHz) med kortsideterminalen til induktoren festet til bryternoden kontra den alternative polariteten.
Figur 8. Ledede utslipp (CE) med spenningsmetode viser forbedring over 3MHz med kortsideterminalen til induktoren festet til bryternoden kontra den alternative polariteten.
Figur 8. Ledede utslipp (CE) med spenningsmetode viser forbedring over 3MHz med kortsideterminalen til induktoren festet til bryternoden kontra den alternative polariteten.

Induktorer uten polarisasjonsindikator

Orienteringen er lett å bestemme hvis induktorprodusenten indikerer en forskjell i intern terminalstørrelse med et silketrykkmerke eller prikk på toppen. Hvis en av disse induktorene er valgt for et design, er det lurt å indikere merket på silketrykket til mønsterkortet, monteringsdiagrammet og til og med i skjemaet. Dessverre har noen induktorer ingen polarisering eller kort terminalindikator. Viklestrukturen inni kan være nær symmetrisk, eller det kan være en kjent strukturell forskjell. Det er ingen dårlige hensikter her - produsenter er kanskje ikke klar over denne spesielle monteringsretningen som er iboende i produktet. Uansett foreslår vi å evaluere utslipp itil en valgt induktor begge retninger i et sertifisert kammer for å sikre repeterbare høyytelsesmålinger.

Noen ganger er det ikke noe eksternt merke, og monteringsretningen til induktoren vil naturlig nok bli vilkårlig - likevel kan induktoren være ønskelig på grunn av andre parametere. For eksempel er Würth Elektroniks WE-MAPI metallegerte effektinduktorer små og effektive. De har terminaler som kun ligger på undersiden av kapslingen. Hver del har en prikk på toppen nær WE-logoen, men prikken er ikke angitt på databladet som en start på viklingsindikator (se figur 9). Selv om dette gir en viss forvirring i begynnelsen, forventes komponenten å utføre det samme i begge monteringsorienteringene med en ganske symmetrisk indre viklingsstruktur. Prikken på toppen av kretsen trenger derfor ikke å være indikert på monteringssilketrykket. Likevel, hvis den brukes i en EMI-kritisk krets, kan det være lurt å teste i begge retninger for å være sikker.

Et annet eksempel: Würth WE-XHMI

Vi testet DC3008A også med en høyytelses Würth-induktor der starten på viklingen er indikert med en prikk på toppen av pakken og i dataarket (se figur 10). 74439346150 15µH induktoren passer utmerket til LT8386 formfaktor og strømkrav. Igjen, for sammenligning med Coilcraft, kjøres utslippstester med denne induktoren montert i begge retninger (se figur 11).

Resultatene (se figur 12) ligner på Coilcraft-induktoren. Emisjonsresultatene viser oss at orienteringen av induktoren i montering har en betydelig effekt på utslipp. I dette tilfellet er Orientering 1 i Figur 11 klart den beste retningen for lavest utslipp. Lavere frekvens AM-bånd (RE) og FM-bånd (CE) utslipp er klart bedre med Orientation 1.

Figur 9. Databladet til WE-MAPI-induktoren indikerer ikke en start på viklingspunkt, selv om det er en start viklingspunkt på toppmerket på komponenten. Disse induktorene har kanskje ingen orienterings-utslippseffekter, men man bør teste for å være sikker.
Figur 9. Databladet til WE-MAPI-induktoren indikerer ikke en start på viklingspunkt, selv om det er en start viklingspunkt på toppmerket på komponenten. Disse induktorene har kanskje ingen orienterings-utslippseffekter, men man bør teste for å være sikker.
Figur 10. Starten på viklingen for en induktor i WE-XHMI-serien indikeres av merkingen på toppen.
Figur 10. Starten på viklingen for en induktor i WE-XHMI-serien indikeres av merkingen på toppen.
Figur 11. Würth 74439346150 («WE 150») induktororienteringsbasert utslippstest med en DC3008A LT8386 LED-driver. En L1 Orientering 1 (venstre) med en kort terminalstart av vikling på SW-noden og L1 Orientering 2 (høyre) med en lang terminal på SW-noden. Utslippsresultater i figur 12 viser at start av vikling bør kobles til SW-noden for best resultat.
Figur 11. Würth 74439346150 («WE 150») induktororienteringsbasert utslippstest med en DC3008A LT8386 LED-driver. En L1 Orientering 1 (venstre) med en kort terminalstart av vikling på SW-noden og L1 Orientering 2 (høyre) med en lang terminal på SW-noden. Utslippsresultater i figur 12 viser at start av vikling bør kobles til SW-noden for best resultat.

2-Switch-Node Buck-Boost kretser (resultater følger)

Det er tydelig at induktororientering kan ha en effekt på utslipp i en enkelt svitsj-node boost LED-driver. Vi kan anta at boost-spenningsregulatorer har de samme karakteristiske strålingsesultatene fra SW-noden siden kraftkonverterings- og svitsjeelementene er de samme i både spenningsregulator- og LED-driverkretser.

Vi kan også anta at buck-regulatorer har lignende SW-nodedesignprioriteter med hensyn til å minimere antenneeffekten til induktorterminalene. Likevel, siden SW-noden til buck-regulatoren er nærmere inngangssiden til omformeren, kan oppfølgingsarbeid avgjøre om effekten av induktororienteringen er den samme i områdene RE og CE som boostregulatoren.

For 2-switch-node buck-boost-omformere er det litt av en knipe. Populære buck-boost-omformere som de i LT8390 60 V synkron 4-switcher buck-boost-kontrollerfamilie har viktige lav-EMI-funksjoner som SSFM og liten hot loop-arkitektur. Enkelt-induktor-designet skaper et mindre klart bilde av hvordan induktororientering kan påvirke utslipp. Hvis den korte terminalen er plassert på den ene SW-noden, fungerer den lange terminalen som en antenne på den andre SW-noden. Hvilken orientering er best i disse designene? Hva skjer når alle fire bryterne svitsjer i 4-svitsjers operasjonsregion (VIN nær VOUT)?

Vi vil utforske dette spørsmålet i en fremtidig artikkel, der en 4-switch buck-boost-kontroller med to SW-noder er EMI-testet mot induktororientering. Til ettertanke: kanskje det er mer enn to valg, 180° fra hverandre, for denne topologien?

Figur 12. Utstrålte og ledede utslipp viser at monteringsorienteringen til Würth 74439346150 høyytelses induktor har en betydelig innvirkning på utslippsresultatene.
Figur 12. Utstrålte og ledede utslipp viser at monteringsorienteringen til Würth 74439346150 høyytelses induktor har en betydelig innvirkning på utslippsresultatene.

Konklusjon

Monteringsorientering av induktoren i svitsjeregulatorer har betydning. Når du måler EMI stråling, legg merke til både induktororienteringen og repeterbarheten - vær oppmerksom på eventuelle forskjeller angående den valgte induktoren, test i begge retninger, og kommuniser tydelig til kortprodusenten om eventuelle monteringsfeller hvis orienteringen ikke kan bestemmes. Å redusere EMI kan være så enkelt som å rotere induktoren 180°.

Om forfatterne

Keith Szolusha er applikasjonsdirektør ved Analog Devices i Santa Clara, California. Keith har jobbet i BBI Power Group siden 2000, med fokus på boost-, buck-boost- og LED-driverprodukter, samtidig som han har ledet EMI-kammeret for kraftkomponenter. Han fikk sin B.S.E.E. i 1997 og M.S.E.E. i 1998 fra MIT i Cambridge, Massachusetts, med fokus innen teknisk skriving. Han kan nås på keith.szolusha@analog.com.

Gengyao Li er applikasjonsingeniør i Power Products Group i Santa Clara, California. Hun er ansvarlig for design og evaluering av DC-til-DC-omformere inkludert boost-, buck-boost- og LED-drivere. Gengyao mottok sin M.S. grad som elektroingeniør fra Ohio State University i 2017. Hun kan nås på gengyao.li@analog.com.

Frank Wang mottok en mastergrad som elektroingeniør fra University of Texas i Dallas og jobbet i et uavhengig, akkreditert samsvarslaboratorium før han begynte i Analog Devices. Han har fire års relevant arbeidserfaring som EMC/EMI testingeniør og prosjektleder. Frank har erfaring med standardtesting, tilrettelegging av tidsplaner, feilsøking med ingeniører, kalibrering av testinstrumenter og kammervedlikehold. Han kan nås på frank.wang@analog.com.

Powered by Labrador CMS