Een goed werkende switch mode power supply ontwerpen is geen eenvoudige klus. Een verkeerde keuze bij de componentselectie en de lay-out kan direct gevolgen hebben voor het emc-gedrag. Alex Snijder van Würth Elektronik geeft tekst en uitleg.
In de jaren negentig van de vorige eeuw is de emc-regelgeving van kracht geworden. Deze heeft als doel om storing op radiocommunicatie te voorkomen en om ervoor te zorgen dat een steeds grotere diversiteit aan elektrische apparatuur kan functioneren zonder gestoord te worden door andere apparatuur, of zelf een bron van storing te zijn. Daartoe stelt de regelgeving limieten waaraan elk elektronisch apparaat dat op de markt komt, moet voldoen.
In beginsel is dit een zelfregulerend systeem. Dat wil zeggen dat de wetgever ervan uitgaat dat de fabrikant, importeur of vertegenwoordiger aan zijn wettelijke verplichting voldoet en dat ook test. In Europa laat hij dit zien door het apparaat dat hij op de markt brengt te voorzien van een CE-logo en een EC-conformiteitsverklaring mee te leveren.
Om zeker te weten dat een apparaat aan de emc-regelgeving voldoet, zullen we in de meeste gevallen moeten meten. Veelal gebeurt dit in emc-testlabs. Deze beschikken over een echovrije kamer die het te meten apparaat afschermt van de buitenwereld en die is voorzien van gekalibreerde en gecertificeerde testapparatuur. Uiteindelijk zal zo’n lab een rapport opstellen over zijn bevindingen van de meting.
Het belangrijkste waarop wordt getest, zijn emissies via geleiding (conducted) en via uitstraling (radiated). De eerste zijn te vinden in de frequentieband van 150 kHz tot 30 MHz, de tweede van 30 MHz tot 1 GHz, of hoger afhankelijk van de applicatie en de testnorm. Voor beide wordt ook een immuniteitstest uitgevoerd.
Bij dit soort tests faalt een applicatie vaak op conducted emissies. De boosdoener is dan veelal de switch mode power supply (smps). Ook radiated emissies vormen een probleem bij een dergelijke schakeling.
Twee modi
Een smps kan een spanning efficiënt omvormen, van ac naar dc of van dc naar dc. Het kan een geïsoleerde schakeling zijn, uitgevoerd met een transformator, of een niet-geïsoleerde, uitgevoerd met een spoel. Veelvoorkomende types zijn step-up (boost), step-down (buck) of een combinatie (buck-boost of bijvoorbeeld een single-ended primary-inductor converter, sepic).
Traditioneel is een smps discreet opgebouwd, met losse componenten zoals spoelen, controller-ic’s, mosfets, condensatoren en diodes. Steeds vaker wordt er echter gekozen voor een module. Door het beperkte aantal benodigde randcomponenten is deze veel sneller op te nemen in een ontwerp en is de ontwikkeltijd dus aanzienlijk korter.
Een typische schakeling van een step-down-converter heeft een ingangscondensator, die fungeert als buffer (Figuur 1). De transistor is de schakelaar, en de diode – die ook kan worden uitgevoerd met een transistor – blokkeert de stroom als de schakelaar open is. Verder bevat de schakeling een spoel die de energie opslaat en een uitgangscondensator die de uitgangsspanning stabiliseert.
Een smps kent twee modi. In de eerste staat de transistor in gesloten positie (Figuur 2). Er loopt dan een stroom vanaf de ingangscondensator naar de spoel en de uitgangscondensator. De blokkerende diode doet de stroom terugvloeien naar de ingangscondensator. Doordat de transistor maar een beperkte tijd in geleiding is, kan de uitgangsspanning lager zijn dan de ingangsspanning.
Na deze aan-periode stopt de transistor met geleiden en begint de tweede fase (Figuur 3). De in de spoel opgeslagen energie vloeit dan in de vorm van een stroom door de uitgangscondensator en loopt via de diode terug naar de spoel. Gelijktijdig wordt de energie uit de spoel gebruikt door de aan de smps aangesloten belasting. Deze stappen herhalen zich totdat de schakeling wordt uitgeschakeld.
Extra filter
Een smps veroorzaakt zowel conducted als radiated storing. Hoe sterk hangt af van de gekozen componenten en de lay-out van de schakeling. De conducted emissies zijn zichtbaar aan de ingang én de uitgang. Waar deze het sterkst zijn, hangt af van het type smps.
Bij een typische step-down-converter is de conducted storing het sterkst aan de ingang. Dat komt door de grote stroomschommeling die daar ontstaat als gevolg van de transistor die zeer snel van aan naar uit schakelt. De fluctuatie gaat door de ingangscondensator, waarbij diens equivalent series resistance (esr) zorgt voor een spanningsval over de condensator. Deze stoorspanning veroorzaakt een breedbandig conducted emissieprobleem op de ingang, met als dominante frequentie de schakelfrequentie van de transistor. Die ligt typisch tussen de 100 kHz en 2 MHz, maar kan tegenwoordig zelfs oplopen tot 6 MHz.
De snelle pieken en dalen leiden tot harmonische verstoringen over een grote bandbreedte. Deze moeten we wegfilteren zo dicht mogelijk bij de bron van de storing. Een lc-filter kan hier een effectieve oplossing zijn. Deze combinatie van een spoel en een condensator moet een zodanige kantelfrequentie hebben dat er voldoende demping is op de schakelfrequentie. De vuistregel is dat de kantelfrequentie minstens een tiende van de schakelfrequentie bedraagt. Een lc-filter filtert ook de harmonischen weg.
Als de harmonischen echter doorbreken tot in de tientallen megahertzen, dan is een lc-filter alleen niet meer voldoende. In een dergelijke situatie is er een extra filtercomponent nodig. Vaak wordt dan gekozen voor een chip ferrite bead (zie kader), die ideaal is tegen hoge stoorfrequenties. Zonder filters is het vrijwel onmogelijk om te voldoen aan de emc-eisen.
Bij het tegengaan van radiated emissies komt het aan op de juiste keuze en plaatsing van de in- en uitgangscondensator. Deze moeten zo dicht mogelijk op het schakelende element zitten om geen loop-antenne te maken. Hetzelfde geldt voor de spoel, die magnetisch afgeschermd dient te zijn. Daarnaast moet de condensator een zo laag mogelijke esr hebben. Gebruik geen exemplaren van tantaal maar keramische van het type X5R of X7R, met voldoende groot spanningsbereik. Als enkele component zullen deze in de regel onvoldoende capaciteit hebben. Dit is op te lossen door er een aantal parallel te plaatsen. Bijkomend voordeel is een verder geoptimaliseerde esr (Figuur 4).
Alternatief is het gebruik van een powermodule. Hierbij moeten we nog steeds filters plaatsen, maar we hebben geen last van radiated storing. De Magi3c van Würth heeft bijvoorbeeld al een EN 55022 klasse B-certificering, wat inhoudt dat hij bij de juiste lay-out reeds voldoet aan de norm voor radiated emissies.
Alles is een antenne
Het gedrag van de smps wordt vaak verkeerd gemeten. Bijvoorbeeld ver weg van de in- en uitgangscondensator, of met lange draden voor de massa van probe en snoeren. Deze lopen dan ook nog geregeld vlak onder het te meten apparaat door of zijn netjes opgerold om zo eenvoudig het magnetisch veld te kunnen registreren. Alles is echter een antenne, en hoe langer de antenne hoe meer signalen die oppikt. We meten dan niet alleen de smps maar ook de omgeving.
Het beste is om een probe te gebruiken met een zo kort mogelijke massadraad. Meet daarmee zo dicht mogelijk bij de in- en uitgang van de smps. In het geval van een step-down-converter is dat direct op de in- en uitgangscondensator (Figuur 5). Verder weg betekent automatisch een meetresultaat waarin ook de omgeving is opgenomen.