Методы подавления электромагнитной эмиссии встроенного импульсного DC/DC преобразователя интегральной микросхемы CA-IS3092W

Статья освещает методы подавления электромагнитной эмиссии встроенного импульсного DC/DC преобразователя интегральной микросхемы CA-IS3092W производства компании Shanghai Chipanalog Microelectronics Co.

CA-IS3092W представляет собой гальвано развязанный трансивер RS-485/RS-422 со встроенным изолированным импульсным DC/DC преобразователем (рис.1).

Выходное напряжение которого (Viso) может быть 3 или 5В. Управление выходным напряжением осуществляется посредством переключения SEL, а максимальный ток нагрузки может достигать значения 100мА. Встроенный DC/DC преобразователь содержит трансформатор небольших размеров, генератор работает на частоте около 70МГц.

Как известно, изменение токов больших значений за короткий промежуток времени di/dt является одной из причин возникновения электромагнитных помех.

Используя правильную топологию печатной платы, а так же другие методы CA-IS3092W может достичь уровня излучаемых электромагнитных помех соответствующего стандарту EN55032 class A без использования металлического экрана.

Сшивающие конденсаторы

Источником электромагнитных помех является не только генератор тактовых импульсов, а также встроенный микро трансформатор. Как правило, трансформатор имеет паразитную межобмоточную ёмкость через которую на вторичную часть проникают переменные токи и в случае отсутствия пути возврата на первичную часть, эти токи становятся синфазными образую дипольную антенну на Viso и GNDB, которая в свою очередь может являться источником излучаемых электромагнитных помех.

Для усиления эффекта подавления электромагнитной эмиссии рекомендуется применять конденсаторы созданные из межслойных частей печатной платы. Два сигнальных металлизированных слоя печатной платы достаточно большой площади образуют конденсатор. Такой конденсатор имеет чрезвычайно низкую распределенную индуктивность и более высокие частотные характеристики.

Ёмкость конденсатора рассчитывается следующим образом: C=εr*ε0*S*/d, где εr – относительная диэлектрическая проницаемость. Для материала FR4  εr имеет значение в районе 4,5, ε0 – диэлектрическая проницаемость вакуума, составляет 8.854*10-12Ф/м, S – площадь перекрывающихся металлизированных слоев конденсатора, d – расстояние между слоями.

Для конденсатора емкостью 181,9пФ достаточно иметь толщину металлизированного слоя 1 OZ, площадь перекрывающихся слоев S= 0.0022м2 и расстояние между слоями d не должно быть меньше чем 0,4мм. C=4.5*8.544*0.0022/0.000465=181.9pF.

В дополнение к упомянутому выше способу перекрытия, сшивающий конденсатор может быть также плавающего типа рис.4. Суммарная сшивающая ёмкость может рассчитана как сумма параллельно включенных конденсаторов C1 и С2.

Многочисленные эксперименты показывают, что использование сшивающих конденсаторов между GNDA и GNDB помогает радикально снизить уровень излучаемой электромагнитной эмиссии.

Накопительные и развязывающие конденсаторы

Размер токовых контуров, по которым циркулируют токи, прямо пропорционален силе электромагнитного излучения. По этой причине необходимо по возможности уменьшить длину дорожек на печатной плате. Накопительные и Развязывающие конденсаторы должны быть расположены как можно ближе к  выводам Vcc и VISO. Накопительные конденсаторы номиналом 10мкФ рекомендуется располагать дальше от входов, в то время как развязывающие конденсаторы должны быть как можно ближе к Vcc и VISO. См. Рис. 5

Желательно размещать переходные отверстия снаружи конденсаторов, а не прямо на дорожках питания между выводами Vcc или VISO. Если площадь печатной платы позволяет, рекомендуется увеличивать количество переходных отверстий, тем самым образуя параллельное соединение паразитных индуктивностей снижая общее влияние паразитных индуктивностей переходных отверстий. См. Рис. 6 

Рис.6

В качестве конденсаторов рекомендуется использовать MLCC конденсаторы с рабочей частотой кратной  ~70МГц. Для расширения частотного диапазона можно использовать сразу несколько развязывающих конденсаторов различной ёмкости.

Применение ферритовых бусин

Различные типы ферритовых бусин имеют разные частотные свойства, узкополосные характеризуются быстрым откликом в определенном узком спектре частот и подходят для шумоподавления в определённых узких частотных спектрах. Широкополосные ферритовые бусины имеют относительно  широкий диапазон зависимости имеданса от частоты. В любом случае все ферритовые бусины имеют свойства высокочастотного резистора - пропускают полезный низкочастотный сигнал, а нежелательный высокочастотный сигнал преобразуют в рассеиваемую тепловую энергию.

Например частотные характеристики MU1005-601Y представлены на рис.7 

           Рис.7

Ферритовые бусины должны быть расположены как можно ближе к источнику нежелательных высокочастотных помех. В случае если подавление высокочастотной составляющей недостаточно, можно включать бусины последовательно. Рис 8 . Для расширения спектра подавления так же возможно объединение различных бусин с разными частотными характеристиками.

Рис.8