Thiết kế, kiểm tra tương thích EMI của mạch nguồn sử dụng bộ buck converter

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO GIỮA KÌ NHĨM 22 Thiết kế, kiểm tra tương thích EMI mạch nguồn sử dụng buck converter TRẦN VĂN TIẾN – 20174262 VŨ VĂN TUẤN – 20174324 NGUYỄN KHẮC QUÂN – 20174125 VÕ HOÀNG THI - 20174231 NGUYỄN NHẬT MINH - 20174057 Ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa Chuyên ngành Kỹ thuật đo Tin học công nghiệp Giảng viên hướng dẫn: Viện: Môn học: Mã lớp: TS Lê Minh Thùy Điện Tương thích điện từ (EMC) 124767 Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 6/2021 PHÂN CƠNG CƠNG VIỆC Các thành viên nhóm làm việc, đóng góp ý kiến với sau bảng cơng việc mà người phụ trách chính: Cơng việc Thiết kế mạch ngun lý, mơ phỏng, đo nhiễu EMI mạch buck converter mạch hạn chế nhiễu EMI LTSpice Tìm hiểu loại nhiễu EMI mạch buck converter, tìm hiểu giải pháp hạn chế nhiễu EMI Vẽ mạch in PCB, tìm hiểu quy tắc layout PCB cho hạn chế EMI mạch buck converter, chuẩn bị báo cáo Thành viên phụ trách Minh, Tiến Tuấn, Thi Quân CHẤM ĐIỂM THÀNH VIÊN TRONG NHÓM Thành viên Trần Văn Tiến Vũ Văn Tuấn Nguyễn Khắc Quân Võ Hoàng Thi Nguyễn Nhật Minh MSSV 20174262 20174324 20174125 20174231 20174057 Điểm số 100% 100% 100% 100% 100% LỜI MỞ ĐẦU Trong khoảng thời gian học kì vừa qua, giảng dạy hướng dẫn nhiệt tình Lê Minh Thùy anh Nguyễn Thanh Hùng, chúng em biết thêm nhiều kiến thức bổ ích mơn học tương thích điện từ EMC (Electromagnetic Compatibility) Và nhóm em xin trình bày đề tài thiết kế, kiểm tra tương thích EMI mạch nguồn sử dụng buck converter Nội dung chia thành chương là: Chương 1: Mục tiêu thiết kế Chương 2: Tổng quan EMI chuyển đổi Buck Converter Chương 3: Giải pháp đề xuất Do thời gian nghiên cứu chưa dài kiến thức nhiều hạn chế nên báo cáo chắn nhiều thiếu sót Chúng em mong nhận góp ý chỉnh sửa anh để hồn thiện tốt Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn MỤC LỤC CHƯƠNG MỤC TIÊU THIẾT KẾ .1 1.1 Mục tiêu thiết kế 1.2 Thông số thiết kế .1 1.3 Chuẩn EMC cần đạt .1 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ EMI TRONG BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK CONVERTER 2.1 Giới thiệu chuyển đổi buck converter 2.2 EMI chuyển đổi buck converter 2.2.1 Nhiễu Differential-mode (DM) 2.2.2 Nhiễu Common-mode (CM) 2.2.3 Ringing nút Switch (SW) mạch buck CHƯƠNG GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT 3.1 Thêm snubber phần tử đóng cắt 3.2 Hạn chế DM CM noise .8 3.3 3.2.1 Giới thiệu LISN 3.2.2 cần đạt Mô nhiễu DM CM, cách hạn chế so sánh với chuẩn 10 Một vài quy tắc layout PCB để hạn chế EMI .13 3.3.1 Tụ Cin, Cout 13 3.3.2 Cuộn cảm L 13 NHẬN XÉT 14 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 15 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Chuẩn CISPR 22: EN 55022 - CLASS B CONDUCTED EMI LIMIT [2] Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý mạch buck [1] Hình 2.2 Một mơ hình mạch buck converter vịng kín [1] Hình 2.3 Đường dòng nhiễu IDM ICM buck converter [2] Hình 2.4 Vị trí nút SW mạch buck converter Hình 2.5 Hình dạng đồ thị SW node ngồi thực tế [2] Hình 3.1 Mạch buck converter với linh kiện thực tế Hình 3.2 Dạng đồ thị điện áp nút SW mạch buck Hình 3.3 Mạch buck converter sau thêm kí sinh gây layout Hình 3.4 Dạng đồ thị điện áp nút SW mạch buck có ringing Hình 3.5 Thêm mạch snubber nút SW Hình 3.6 Dạng đồ thị điện áp nút SW sau thêm snubber .8 Hình 3.7 Hình ảnh sơ đồ LISN [2] .8 Hình 3.8 Dụng cụ setup thực tế để đo EMI mạch buck converter [2] Hình 3.9 Mơ hình LISN 50µH tương đương theo chuẩn CISPR 22 Hình 3.10 Mạch buck converter với LISN đường dây nguồn 10 Hình 3.11 Mơ nhiễu input với LISN .10 Hình 3.12 Mạch buck với tụ kí sinh nối với chassis ground 11 Hình 3.13 Điện áp đầu LISN, VP (đầu LISN đường nguồn +), VN (đầu LISN đường nguồn -) 11 Hình 3.14 Đồ thị điện áp nhiễu VDM đo 11 Hình 3.15 Đồ thị điện áp nhiễu VCM đo 12 Hình 3.16 Pi filter input 12 Hình 3.17 Mạch buck với lọc EMI hồn chỉnh 12 Hình 3.18 Đồ thị dạng điện áp VP VN sau có EMI filter 13 Hình 3.19 Layout PCB 13 CHƯƠNG MỤC TIÊU THIẾT KẾ 1.1 Mục tiêu thiết kế Các chuyển đổi DC-DC converter tạo nhiễu switch (thường MOSFET cơng suất) đóng cắt tần số cao Điều dẫn đến thời gian tăng giảm nhanh xung dòng điện tần số cao chứa lượng đáng kể lượng sóng hài phụ Từ đó, chúng em làm việc để đề xuất phương án hạn chế ảnh hưởng nhiễu EMI từ mạch buck chúng em, đảm bảo mạch hoạt động ổn định đạt giá trị nhiễu chấp nhận theo quy định CISPR Ở đây, nhóm em xét đến phần conducted emission EMI không xét đến radiated emission 1.2 Thông số thiết kế 1.3 Chuẩn EMC cần đạt Chuẩn EMC nhóm chúng em chọn để tuân thủ CISPR 22: EN 55022 CLASS B CONDUCTED EMI LIMIT Đây chuẩn cho khu dân cư, thương mại công nghiệp nhẹ Mức noise quy định mô tả hình 1.1 phía Hình 1.1 Chuẩn CISPR 22: EN 55022 - CLASS B CONDUCTED EMI LIMIT [2] Vì tần số , nên conducted emission mạch buck nhóm em phải khơng vượt q giá trị 66dBµV, tương ứng với khoảng 2mV CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ EMI TRONG BỘ CHUYỂN ĐỔI BUCK CONVERTER 2.1 Giới thiệu chuyển đổi buck converter Bộ chuyển đổi DC-DC mạch điện tử có chức chuyển đổi nguồn chiều (DC) từ mức điện áp sang mức điện áp khác Nó loại chuyển đổi lượng điện Mức công suất từ thấp (pin nhỏ) đến cao (truyền tải điện cao áp) Bộ chuyển đổi buck chuyển đổi DC-DC có tác dụng giảm điện áp từ đầu vào (nguồn cung cấp) đến đầu (tải) Nó loại nguồn switched-mode power supply (SMPS) thường chứa hai phần tử bán dẫn (một diode transistor, chuyển đổi buck đại thường thay diode transistor thứ hai sử dụng để synchronous rectification) phần tử lưu trữ lượng, tụ điện, cuộn cảm hai kết hợp với Để giảm độ gợn sóng điện áp, lọc làm tụ điện (đôi kết hợp với cuộn cảm) thường thêm vào đầu chuyển đổi (bộ lọc phía tải) đầu vào (bộ lọc phía nguồn cung cấp) Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý mạch buck [1] Bộ chuyển đổi chuyển mạch (chẳng hạn chuyển đổi buck) cung cấp hiệu suất lượng lớn nhiều so với ổn áp tuyến tính, mạch đơn giản làm giảm điện áp cách tiêu tán điện dạng nhiệt, không tăng dịng điện đầu Bộ chuyển đổi Buck có hiệu suất cao (thường cao 90%), làm cho chúng hữu ích cho tác vụ chuyển đổi điện áp cung cấp (số lượng lớn) máy tính (thường 12 V) xuống điện áp thấp cần thiết USB, DRAM CPU (5V, 3.3V 1.8V) Hình 2.3 Một mơ hình mạch buck converter vịng kín [1] 2.2 EMI chuyển đổi buck converter So với loại nguồn sử dụng ổn áp tuyến tính khác, chuyển đổi DC-DC converter có hiệu suất tốt gây nhiều nhiễu EMI nhiều phần tử đóng cắt tần số cao Vì vậy, tốn tìm nhiễu EMI giải quan tâm Sau đây, nhóm em trình bày nhiễu EMI chuyển đổi buck converter chương sau mô cách hạn chế để mạch hoạt động ổn định đáp ứng với chuẩn đề Hình 2.4 Đường dòng nhiễu IDM ICM buck converter [2] 2.2.1 Nhiễu Differential-mode (DM) Nhiễu DM dòng nhiễu chạy đường dây nguồn với chiều ngược Biểu nhiễu DM gây biến thiên dòng điện di/dt, tạo từ trường, ảnh hưởng dịng, trở kháng thấp, diện tích vịng kín nhỏ 2.2.2 Nhiễu Common-mode (CM) Nhiễu CM dòng nhiễu chạy hai đường dây nguồn (cùng chiều nhau), dòng điện trở thông qua chassis GND Biểu nhiễu CM gây biến thiên điện áp dv/dt, tạo điện trường, ảnh hưởng áp, trở kháng cao, diện tích vịng kín lớn gây radiated EMI 2.2.3 Ringing nút Switch (SW) mạch buck Hình 2.5 Vị trí nút SW mạch buck converter Dạng sóng nút SW có lẽ tác động lớn đến EMI Biến thiên dv/dt nút SW nhanh tần số chuyển mạch nhanh gặp nhiều vấn đề tần số cao Trước test EMI, nên kiểm tra tín hiệu Switch Node hình dạng tín hiệu Những thấy thường xuyên ringing Đây ringing lớn Khi sử dụng máy phân tích phổ, thấy loại biên độ đỉnh từ ringing nút SW hình phía Vì vậy, cố gắng giảm ringing Một điều ringing bắt nguồn từ đâu ? Ringing đến từ diode lowside, có điện dung ký sinh thời điểm diode lowside tắt, FET highside bật Sau đó, có điện cảm vòng lặp ký sinh tụ đầu vào tần số cao với nguồn đất Vì vậy, vịng lặp đầu vào để nút SW ring mà cần phải tối ưu hóa Chúng ta xem xét điều sau Hình 2.6 Hình dạng đồ thị SW node thực tế [2] Đồ thị SW node có ringing khơng cịn xung vng so với lý thuyết CHƯƠNG GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT Chương trình bày giải pháp đề xuất nhóm chúng em, cách thức thực hiện, kết mô phần mềm LTSpice đề cập đến Ngồi ra, nhóm trình bày vài quy tắc layout PCB phần mềm Altium để hạn chế EMI mạch buck converter 3.1 Thêm snubber phần tử đóng cắt Hình 3.1 mạch buck converter với linh kiện thực tế, mà mosfet M1 có Rds,on diode D1 có Ron điện áp phân cực thuận Hình 3.7 Mạch buck converter với linh kiện thực tế Khi đó, dạng đồ thị điện áp nút SW gần xung vuông lý tưởng với rise time, fall time tương đối nhỏ hình 3.2 phía dưới: Hình 3.8 Dạng đồ thị điện áp nút SW mạch buck Khi ta thêm điện cảm, điện dung kí sinh gây layout (hình 3.3), nhìn vào nút SW thấy bắt đầu có nhiễu, cụ thể ringing (hình 3.4) khơng phải xung vuông đẹp Đây điều bình thường xảy ngồi thực tế Hình 3.9 Mạch buck converter sau thêm kí sinh gây layout Hình 3.10 Dạng đồ thị điện áp nút SW mạch buck có ringing Vậy, phải làm để hạn chế nhiễu này? Ở đây, ta sử dụng mạch snubber (hình 3.5), tụ điện mắc nối tiếp với điện trở nút SW Snubber thiết bị bảo vệ mạch điện chống lại xung đột điện áp, hiệu ứng dao động sót lại Từ đó, giúp lọc đa số sóng hài bậc cao, điện áp nút SW nhiễu (hình 3.6) Tuy nhiên, tradeoff đánh đổi phần lượng mát nhỏ điện trở snubber Hình 3.11 Thêm mạch snubber nút SW Hình 3.12 Dạng đồ thị điện áp nút SW sau thêm snubber 3.2 Hạn chế DM CM noise 3.2.1 Giới thiệu LISN Mạng ổn định trở kháng đường dây (LISN) thiết bị sử dụng conducted radiated radio-frequency emission and susceptibility test, quy định tiêu chuẩn kiểm tra tương thích điện từ (EMC)/ EMI khác (ví dụ, CISPR, Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế, CENELEC, Ủy ban Truyền thông Liên bang Hoa Kỳ, MIL-STD) Hình 3.13 Hình ảnh sơ đồ LISN [2] LISN lọc thông thấp thường đặt nguồn điện AC DC EUT (thiết bị thử nghiệm) để tạo trở kháng biết cung cấp cổng đo nhiễu tần số vô tuyến (RF) Nó cách ly tín hiệu RF khơng mong muốn khỏi nguồn điện Ngồi ra, LISN sử dụng để dự đoán conducted emission để chẩn đốn kiểm tra trước tn thủ Hình 3.14 Dụng cụ setup thực tế để đo EMI mạch buck converter [2] Hình 3.15 Mơ hình LISN 50µH tương đương theo chuẩn CISPR 22 Ở đây, nhóm chúng em dùng phần mềm LTSpice để mơ tả mơ hình tương đương LISN (hình 3.9) theo chuẩn CISPR 22, dùng để xác định nhiễu DM CM hình 3.10: Hình 3.16 Mạch buck converter với LISN đường dây nguồn Từ mơ nhiễu từ input hình 3.11: Hình 3.17 Mơ nhiễu input với LISN 3.2.2 Mô nhiễu DM CM, cách hạn chế so sánh với chuẩn cần đạt 3.2.2.1 Mơ Thực tế mạch buck converter cịn nối với chassis ground (hình 3.12), có tụ kí sinh (giả sử có giá trị 1pF) Từ đó, ta lấy điện áp output để kiểm tra EMI LISN, ta có dạng đồ thị hình 3.13: Hình 3.18 Mạch buck với tụ kí sinh nối với chassis ground Hình 3.19 Điện áp đầu LISN, VP (đầu LISN đường nguồn +), VN (đầu LISN đường nguồn -) Từ đó, ta tính điện áp nhiễu gây nhiễu DM, tính cơng thức: Ta thấy biên độ điện áp lên tới 250mV (hình 3.14), tương ứng với 108dBµV, vượt xa tiêu chuẩn chọn 66dBµV Hình 3.20 Đồ thị điện áp nhiễu VDM đo Tiếp theo, điện áp gây nhiễu CM tính công thức: Biên độ điện áp nhiễu VCM lúc lớn 16mV (hình 3.15), tương ứng 84dBµV, lớn tiêu chuẩn chọn 66 dBµV Hình 3.21 Đồ thị điện áp nhiễu VCM đo 3.2.2.2 Cách hạn chế Để giảm ảnh hưởng dòng DM, ta thêm pi filter input (hình 3.16) Hình 3.22 Pi filter input Và cuối cùng, để hạn chế ảnh hưởng nhiễu CM, ta thêm common mode choke đầu vào, mạch buck EMI filter hồn chỉnh hình 3.17: Hình 3.23 Mạch buck với lọc EMI hồn chỉnh Hình 3.24 Đồ thị dạng điện áp VP VN sau có EMI filter Qua hình 3.18, ta thấy biên độ điện áp VP VN tối đa cỡ 100µV, tiêu chuẩn tối đa cho mức điện áp nhiễu 66dBµV, tức khoảng 2mV Vì vậy, mạch nhóm chúng em đạt chuẩn EMI yêu cầu theo tính tốn mơ 3.3 Một vài quy tắc layout PCB để hạn chế EMI 3.3.1   Đặt Cin gần với kết nối MOSFET với Vin GND Giảm tối thiểu diện tích vịng kín tạo cực Cin MOSFET 3.3.2   Tụ Cin, Cout Cuộn cảm L Đặt cuộn cảm L gần với MOSFET (nút SW) nối cực tính cuộn cảm với nút SW Giảm diện tích khu vực SW để giảm coupling điện trường Hình 3.25 Layout PCB NHẬN XÉT Sau q trình mơ nhiễu EMI hạn chế nhiễu EMI, nhóm đạt kết giới hạn tiêu chuẩn yêu cầu CISPR 22: EN 55022 - CLASS B CONDUCTED EMI LIMIT Qua project kì lần này, nhóm học nhiều điều EMI, đặc biệt liên quan đến nguồn chuyển đổi DC-DC converter Những kiến thức lớp cô TS Lê Minh Thùy anh trợ giảng áp dụng vào để giải tốn EMI Nhóm hiểu rõ vấn đề EMI thiết kế mạch buck converter, nhiễu CM, DM, ringing nút SW cách giảm thiểu, hạn chế Ngồi ra, nhóm cịn tìm hiểu quy tắc layout PCB để giảm tối đa ảnh hưởng EMI mạch buck converter Một lần xin cảm ơn cô TS Lê Minh Thùy anh Nguyễn Thanh Hùng trợ giảng truyền cho chúng em kiến thức bổ ích EMC, kĩ giải toán EMC, khả tra cứu, tìm tịi tài liệu, sách, báo, … liên quan tới EMC Cảm ơn thành viên nhóm nỗ lực, chăm chỉ, làm việc với hồn thành thời hạn cơng việc giao suốt học kì vừa qua DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Robert W Erickson, Dragan Maksimović, "Fundamentals of Power Electronics", Third Edition, Springer, 2020 [2] Texas Instruments, "Understanding EMI and mitigating noise in DC/DC converters", TI training & videos [3] EN5502, 2010, "Information technology equipment - Radio disturbance characteristics - Limits and methods of measurement" [4] K S Kostov, H Nee and M Priecinsky, "The input impedance of common mode and differential mode noise separators," 2013 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, 2013, pp 1688-1695, doi: 10.1109/ECCE.2013.6646910 [5] K Mainali and R Oruganti, "Conducted EMI Mitigation Techniques for Switch-Mode Power Converters: A Survey," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol 25, no 9, pp 2344-2356, Sept 2010, doi: 10.1109/TPEL.2010.2047734 [6] Henry W Ott, "Electromagnetic Compatibility Engineering", Wiley, 2009  ... kiến thức bổ ích môn học tương thích điện từ EMC (Electromagnetic Compatibility) Và nhóm em xin trình bày đề tài thiết kế, kiểm tra tương thích EMI mạch nguồn sử dụng buck converter Nội dung chia... việc Thiết kế mạch nguyên lý, mô phỏng, đo nhiễu EMI mạch buck converter mạch hạn chế nhiễu EMI LTSpice Tìm hiểu loại nhiễu EMI mạch buck converter, tìm hiểu giải pháp hạn chế nhiễu EMI Vẽ mạch. .. .8 Hình 3.8 Dụng cụ setup thực tế để đo EMI mạch buck converter [2] Hình 3.9 Mơ hình LISN 50µH tương đương theo chuẩn CISPR 22 Hình 3.10 Mạch buck converter với LISN đường dây nguồn 10 Hình