¿Siempre se requieren filtros de entrada para cambiar las fuentes de alimentación?

Este es un seguimiento de las preguntas aquí y aquí.

Recientemente diseñé una PCB que contenía un regulador reductor (LM2576 5V). Puede ver el diseño de PCB en esta pregunta . Después de convertir la entrada de 12 V CC a 5 V, dos reguladores lineales la reducen a 3,3 V (para un micro) y 4,1 V (para un módem GSM SIM800C).

Fuente de alimentación

Cuando la placa está conectada a otras placas en el sistema (que contiene un altavoz), se escucha un fuerte zumbido GSM cuando el módem transmite. Acercar un teléfono móvil a la placa del altavoz también provocó el zumbido, pero fue mucho más silencioso, lo que implicaba para mí que el ruido se conducía a través de los cables, en lugar de irradiarse.

Para entender el ruido, hice una prueba de emisiones conducidas simple (usando un analizador de espectro y un Tekbox LISN). Capturé las emisiones conducidas de 150kHz a 30Mhz (RBW 9kHz, paso 5.4kHz tiempo de permanencia 50ms) en una variedad de configuraciones de firmware diferentes para tratar de entender de dónde se origina el problema. Aquí están los escaneos:

Escanee 1 con el módem GSM transmitiendo con la mayor frecuencia posible (aproximadamente una vez cada 750 ms) escanear 1 Los picos grandes que se extienden por todo el espectro suelen tener una separación de ~ 300 kHz (los picos más cercanos están separados por unos 90 kHz; no estoy seguro de cómo interpretar eso. Podrían ser múltiplos de la conmutación de 52 kHz) frecuencia.)

Escaneo 2 con el módem GSM apagado escanear 2 Entonces, mirando esto, claramente apagar el módem GSM ha reducido mucho el ruido conducido.

Sin embargo, decidí soldar una resistencia de potencia de 4.7R a la salida del regulador de 4.1V para simular la carga del módem GSM de forma continua.

Escaneo 3 con módem GSM apagado y carga 4.7R en regulador de 4.1V escanear 3

El ruido general salta nuevamente a niveles similares a los picos que estaban presentes en el primer seguimiento con el módem GSM encendido. Si tuviera que unir los picos de los picos en el Escaneo 1, terminaría con un rastro similar al del Escaneo 3. Esto me hizo pensar que el problema puede ser que el SMPS genere más ruido con cargas más altas en lugar de que sea ruido. causado por la propia señal GSM, y que el ruido GSM en realidad se debió a que el módem exigió ráfagas repentinas de energía del SMPS, que luego estaba trabajando más duro para proporcionar eso y generando mucho ruido de conmutación.

Si esto es cierto, me sorprende por las siguientes razones:

  • Traté de seguir el diseño recomendado para el LM2576 como se especifica en la hoja de datos para minimizar el ruido de conmutación.
  • El regulador de 4,1 V tiene condensadores de valor grande y pequeño en la entrada y la salida, lo que habría pensado que debería ser suficiente para suavizar los requisitos actuales del módem GSM.
  • El módem GSM tiene tapas de tantalio de 100uF, 1uF, 33pF y 10pF ubicadas cerca de los pines de la fuente de alimentación, como se recomienda en la hoja de datos, que deben manejar los requisitos de alta corriente del módem.
  • Aunque hay problemas de diseño con la placa (especialmente debajo del micro en el centro), los rastros de la fuente de alimentación parecen correctos en términos de bucles de corriente (ver el diseño aquí ).

La hoja de datos LM2576 no menciona ningún tipo de filtro de entrada antes del SMPS (solo filtros de salida).

Entonces las preguntas que hago son las siguientes:

  • ¿Es correcto mi análisis del origen de este problema de EMC? (SMPS genera ruido de entrada debido a la alta carga).
  • ¿Son siempre necesarios los filtros de entrada para reducir el ruido de conmutación de SMPS, o se puede resolver este problema simplemente mejorando el diseño de la placa de circuito impreso? Si es así, ¿dónde están los problemas de diseño que están causando este problema?
Por lo general, coloco un electrolítico de 1uF en la entrada ... A veces no lo hago, SMPS debería regularse a pesar del ruido del voltaje de entrada (mire el parámetro de regulación de línea). ¿Qué tan cerca están los SMPS entre sí? Los SMPS son extremadamente ruidosos por naturaleza, a veces puedes escucharlos físicamente. si están demasiado cerca uno del otro, podrían comenzar a interactuar. Si la alta carga está causando el problema, es posible que necesite un SMPS de mayor clasificación. Además, no tienes ningún bucle de tierra ocurriendo, ¿verdad?
@Tony: solo hay 1 SMPS. El resto son lineales. No creo que tenga bucles de tierra: el circuito se alimenta a través de CC y no hay un cable de tierra de protección que provoque un bucle de tierra (¿alguna otra forma de saberlo?). Puedo ver el ruido en forma de caídas en la fuente de alimentación de entrada al medirlo con un osciloscopio con un cable a tierra corto, por lo que creo que el ruido es de modo diferencial.

Respuestas (1)

¿Es correcto mi análisis del origen de este problema de EMC? (SMPS genera ruido de entrada debido a la alta carga).

No sé si esta es la causa de su "fuerte zumbido de GSM", pero está por encima del límite de cumplimiento y sus pruebas indican que proviene del SMPS. El pico de ruido conducido a 150kHz es ~90dBμV o ~30mV, que es lo que esperaría de un regulador de conmutación sin filtro de entrada.

¿Son siempre necesarios los filtros de entrada para reducir el ruido de conmutación SMPS?

Sí, si el ruido es inaceptable. Un regulador de conmutación reductor extrae corriente en pulsos, por lo que siempre generará ruido en la entrada. El capacitor electrolítico de 100 μF en su circuito debe estar proporcionando algo de filtrado, pero aparentemente no lo suficiente. El uso de un capacitor más grande probablemente no ayudará mucho porque su inductancia probablemente será mayor, lo que podría hacerlo aún menos efectivo.

La forma habitual de domar EMI es usar un filtro LC. Texas Instruments AN-2155 (Sugerencias de diseño para la reducción de EMI en convertidores CC/CC) incluye este circuito:-

ingrese la descripción de la imagen aquí

Además del condensador de filtro 'a granel' CIN6, se utilizan varios condensadores más pequeños para reducir la impedancia a frecuencias cada vez más altas. L2 y CIN7 forman un filtro de paso bajo que reduce la corriente de ruido devuelta a la fuente de alimentación. El voltaje de ruido aún puede ser bastante alto en el SMPS, pero el filtro LC se encarga de eso. Este filtro debe estar dedicado al SMPS, con otros circuitos alimentados desde el lado de suministro.

Los filtros LC resonarán si tienen un alto Q, lo que puede ser un problema si la frecuencia resonante está cerca de la frecuencia de conmutación. Por lo tanto, es posible que sea necesario "ajustar" los valores de los capacitores para obtener mejores resultados. La ESR del condensador a granel también se puede utilizar para reducir el filtro Q.

¿O se puede resolver este problema simplemente mejorando el diseño de PCB?

Probablemente no por sí solo, pero un mal diseño exacerbará el problema. Su diseño me parece bien, excepto que colocaría un capacitor cerámico de 1 μF cerca del pin VIN. También eliminaría el vertido de cobre de las áreas donde no funciona (como debajo del inductor) y colocaría muchas vías a través de él donde quiero aumentar el plano de tierra.

¿Siempre se requieren filtros de entrada para cambiar las fuentes de alimentación?
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