Problema EMI: timbre en el diseño de fuente de alimentación en modo de conmutación (5V -> 3V3)

Estoy trabajando en un dispositivo que se está sometiendo a pruebas para pasar las emisiones de la FCC parte B (CSRR 22) . En un ángulo y polarización (Vertical), el dispositivo falla ya que tiene emisiones en el rango de 100-200Mhz que rompen el umbral.

El resultado de la prueba muestra dos picos característicos a 145Mhz y 128Mhz . Una fuente de ruido de banda más amplia está sonando. El timbre tiene múltiples componentes armónicos.

Problema

La PCB tiene 2 fuentes de alimentación de modo de interruptor (SMPS) Estos son chips de la serie Semtec TS30011 / 12/13. ( HOJA DE DATOS ) Tras una inspección más cercana, hay un sonido en la salida de potencia (antes de la etapa del inductor) SMPS 1 tiene un anillo a 145MHz mientras que SMPS2 tiene un anillo a 128Mhz. Vale la pena señalar que tienen diferentes cargas sobre ellos. Sus esquemas son idénticos, su diseño es algo diferente pero 80% igual.

¿Qué opciones de diseño tengo para reducir el ruido EMI?
Estoy ocupado ajustando el grosor de traza que va al inductor para reducir la capacitancia parásita

Tenga en cuenta que hay un vertido GND que no se ve en el diseño que une todos los mayúsculas bastante bien

No sé cómo ajustar los componentes del filtro para reducir el sonido.

Resultados de la prueba (3M, Vertical Pol.)

Esquemas y diseño de 1

Esto se puede resolver colocando un núcleo de ferrita en el cable de alimentación que va al dispositivo; sin embargo, esta es una solución no óptima por diversos motivos estéticos y de costo.

Mediciones pre inductoras

Diseño de ambos SMPS uno al lado del otro

La referencia de ejecución total a GND que está oculta, la capa de potencia a continuación suministra Vin a 5-12V, cada uno de ellos está fijado a la salida 3V3

pcb-design layout emc

— Kieran Duggan
fuente

Hablas de un núcleo de ferrita en el cable, ¿puedes elaborar un poco? ¿Qué se resuelve exactamente? Además, su diseño se parece bastante al sugerido por el fabricante, pero ¿por qué las vías adicionales para PGND justo donde está el rastreo SW?

— Vladimir Cravero

Los condensadores de salida parecen enormes con alrededor de 200 µF, debe probar con solo 47uF o dos 47uF. ¿Qué es el L11? ¿Por qué tiene un inductor de segunda serie para el voltaje final? Creo que tienes algún tipo de cuello de botella aquí. ¿Es un filtro PI? ¿Las áreas anaranjadas se encuentran en una capa debajo de los inductores o en el otro lado?

— zeqL

+1 para una pregunta bien formada, pero ¿por qué quiere meterse con el filtro de salida? El hecho de poner una pinza de ferrita en la entrada de potencia mejora las cosas, dice que es la antena, y hay que hacer algo en el lado de la entrada, probablemente agregando una ferrita a bordo o un par de décadas de capacitancia, o una combinación de ambas.

— Matt Young

Esos condensadores de salida son enormes. Podrías estar bien arriba del lado ascendente de la curva esr. ¿Has intentado simplemente colocar una tapa más pequeña (0.1uF) en los condensadores de salida? Además, agregue más vías desde las tapas hasta el suelo. La única conexión a tierra por capacitor tendrá una inductancia decente. La hoja de datos tiene las tapas conectadas a tierra con 8 vías por una razón.

— Connor Wolf

El convertidor de potencia tiene pines Vin y switch node adyacentes. El vertido sólido debajo de ellos definitivamente acoplará algo de ruido de conmutación directamente a la entrada (los pares de clavijas 1 y 2, 11 y 12 son dónde buscar). Ese es al menos un problema que he visto en el pasado.

— Peter Smith

Respuestas:

Los nodos de conmutación son muy cortos, lo que es bueno. Pero no entiendo los trozos en las trazas al inductor, debe eliminarlos junto con las dos vías adicionales GND. Esto no es muy útil.

Incluso si hubiera una capa GND, no haría que los planos naranjas pasaran por debajo de los inductores. Haga lo mismo para L1 que para L2, nada debajo del inductor. Evitaría cualquier acoplamiento.

Realmente creo que los condensadores de salida son demasiado altos. Semtech recomienda un típico 44µF y estás a 200µF. Intente quitar el condensador de 150 µF.

También intente aumentar las vías GND de C11, C62 y C10, C42, con al menos 2 vías GND cada una, porque si tiene una corriente de 3A, fluirá a través de solo dos vías GND pero 6 vías de potencia. Lo mismo para la tapa de desacoplamiento C4, intente al menos 2 vias GND.

Editar: Realmente no entiendo el uso de un cordón de ferrita y un amortiguador al final de un SMPS. Los FB se utilizan más para evitar que un riel de alimentación devuelva ruido al riel de alimentación principal, por ejemplo, con el riel de alimentación PLL. Pero el voltaje después de un inductor principal debe estar dentro de la tolerancia al ruido, especialmente para un riel de 3.3V.

Es posible que tenga un timbre debido al uso incorrecto de FB, mire la frecuencia de resonancia LC en este documento de Analog Devices: http://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/ferrite-beads-demystified.html

— zeqL
fuente

-2

El diseño tiene el sonido clásico en el borde de conmutación. La causa típica del timbre está en inductancias parásitas en los transistores del interruptor, que forman circuitos de tanque parásitos junto con otros parásitos. El timbre es causado por cambios de bordes demasiado rápidos. Hay una buena nota de aplicación 045 de Richtek que tiene varios consejos sobre cómo reducir o eliminar el problema.

Como también puedo ver, los esquemas de referencia del fabricante (y los paneles de prueba) incluyen un diodo de "captura" (Schottky), que falta en el diseño. Los parásitos de diodo podrían ayudar a estabilizar / amortiguar el sonido en el lado del interruptor [incluso si el diodo es opcional para el convertidor síncrono].

ACLARACIÓN: El diseño de referencia del fabricante de SEMTECH utiliza PMED4030ER "opcional", 115 diodos en su placa de prueba / demostración, que tiene 250 pF de capacitancia parásita a 1 V. La nota 045 de Richtek sobre amortiguadores RC llegó a RC del orden de 330pF / 9 ohmios para suprimir el sonido. Por lo tanto, es muy probable que el diodo mejore la eficiencia del conmutador Y reduzca el timbre.

— Ale..chenski
fuente

Esta es una parte sincrónica. El diodo no es necesario.

— Matt Young

Si bien puede ser teóricamente innecesario, pero prácticamente un rectificador Schottky paralelo reduce las pérdidas en el FET de lado bajo, como se explica en este documento técnico Fairchild / ON, fairchildsemi.com/technical-articles/... Mientras que algunos otros reguladores SEMTECH (como SC4620) mencione explícitamente el diodo Shcottky integrado, las especificaciones para el IC TS3001x particular no mencionan esta característica importante.

— Ale..chenski