Dämpa trådbundet EMI-skräp från DC/DC

[jon_kanon]

Hej!

Jag har byggt en pryl med DC/DC-omvandlare baserad på lm5118. Jag har använt TIs referenskonstruktion i princip rakt av. Max ström ut är ca 5A på 5V, matning är EDIT 3V-17V 3V-35V

Den släpper ut en del skräp (knappt 40dB över CE-kraven) från switchfrekvensen (270kHz) och uppåt i frekvens på matningen i värsta fallet. Den nuvarande konstruktionen innehåller inga särskilda åtgärder för att dämpa skräpet. Den har dock en reservkraftkonding på 6800uF med ESR <0.1 Ohm. För att stabilisera primären på DC/DC behövs, enligt TIs beräkningshjälp för lm5118, i detta fall <10uF

Jag tänkte att ett LC-filter enligt nedanstående papper ska lösa problemet.
http://www.ti.com/lit/an/snva489c/snva4 ... N-TechDocs
Cin är då 10uF och Cd löses med god marginal av reservkraftkondingen
Lf väljer jag till 10uH (ev. väljer jag något lägre induktans, 10uH är en fysiskt stor komponent i sammanhanget)
Cf väljer jag till 6,8uF

Någon som har erfarenhet av detta och har en uppfattning om det är en vettig lösning?

[Icecap]

Båda inkommande ström och utgående ström ska dämpas och designen av mönsterkortet har mycket stor betydelse.

En kondensator med en ESR på 0,1 Ohm kan ha en induktans som är mycket stor, det är anledningen till att man parallellkopplar med keramiska kondensatorer.

Utan att ha mönsterkortsdesignen är det svårt att ge råd, lösningen är sällan bara att pytsa på ytterligare komponenter om grunddesignen är dålig.

[limpan4all]

Jag säger dito på Icecap´s svar.
Med erfarenhet från ett antal buckregulatorer genom åren, det är inte så enkelt som det kan verka...
Layout och komponentval spelar oftast en helt avgörande roll, schemat är nästan ointresserat annat än att det fungerar (dvs spänning och ström kommer ut), EMC problematiken beror helt på komponentval och layout.
Med 40dB över CE-kraven så kan jag vara ganska så säker på två saker, ingångsimpedansen är för hög och slingan mellan switchtransistorn, nollåterledningen och dioden är för stor eller för svag.
Så frågan blir?
Hur pass noga har du följt kapitel 12 i databladet???

[qx5]

Induktans i serie och skärmlåda som minimikrav?

[limpan4all]

Induktans i serie hjälper men dåligt oftast, strömkompenserad drossel är däremot rätt väg att gå med kondensatorer mot chassit före och efter om man är inne på "albylprincipen" för att lösa problemet istället för att lösa problemet...

[jon_kanon]

Lite mer info:
* Regulatorn fungerar som det är tänkt, dvs den strömförsörjer resten av konstruktionen som den ska
* Layouten för DCDC ser ut som bifogad bild. R1 och ZD1 monteras inte
* Lager 2 är ett helt jordplan
* Gul färg är jord, beige är andra nät

* Mina egna observationer i förhållande till kapitel 12 i databladet:
- R4 borde gå till AGND-pinnen direkt istället för via jordlager
- Jordytan under controllern ska vara större och ha fler vior
- Looparna som omnämns i databladet kan nog kortas genom ommöblering

En fundering: hur kan man påverka ingångsimpedansen?

[limpan4all]

L1 ser helt gigantisk ut, är du säker på att den är "rätt"?
Keramer är de enda kondensatorerna som duger något till om man talar switchkretsar, men tänk då på DC-biasproblematiken dvs tag en med löjligt hög spänning och öka kapacitansen ändå...

[Icecap]

Jag säger som limpan4all: L1 ser gigantisk ut med tanke på att swichfrekvensen är 270kHz.
Och avkopplingen ser väldig liten ut i sammanhanget också.

[jon_kanon]

Om L1: Den är stor,japp. Då detta är min första DCDC har jag ingen utvecklad känsla för vad som är mycket eller lite. Typ 100uH i rumstemp, men i ett värsta fall med lite ström och varm omgivning sjunker induktansen i L1 och DCDC kan hamna i discontinous mode, vilket verkade svårt att hantera, därför blev den stor. Borde jag kanske vara mindre rädd för discontinous mode?

Det är över 1år sedan jag räknade och funderade på detta, så jag förbehåller rätten att ha detaljerna i konstruktionsresonemangen något oskärpta

Avkopplingen på primären är 5st X7R 50V 2,2uF
Avkopplingen på sekundären är 2st x7r 50V 47uF + 2st X7R 50V 0,47uF

[Borre]

Kondensatorerna på ingången ska sitta nära switchmosfeten, inte vid regulatorn. Inga små smala ledare utan breda plan, både VCC och GND. Det ska naturligtvis även sitta avkoppling vid regulatorn också.

C1 kan du gott ändra till någon mindre storlek och mer lämpad för switchad regulator, några 100uF med låg ESR (0.1ohm är högt i sammanhanget) och den ska också sitta nära switchmosfeten.
Vid höga switchfrekvenser är det inte kapacitansen som har störst betydelse, utan låg ESR och ESL samt att den klarar hög rippleström.

L1s storlek bör utan problem gå att minska, vilket ger kompaktare och bättre layout. Du vill ha så liten "current loop" som möjligt.

Kolla in TIs evaluation board för hur en layout kan se ut: http://www.ti.com/tool/lm5118eval

[psynoise]

För de kraftkretskort jag har designat har jag egentligen endast haft en strategi för mönsterkorten. Först har jag börjat prioritera vilka strömslingor som bör vara minst. Ibland har jag kompletterat schemat med ytterligare avkopplingskondensatorer för att få layouten enklare. Därefter har jag lagt mest tid på komponentplacering för att få till de värsta slingorna bäst. Dock kan det vara svårt att veta ibland vilka slingor som ska prioriteras då det inte alltid är huvudfunktionen som är värst utan kanske ström till och från transistorers utgångskapacitans... Tillsist har jag ritat layout vilket brukar gå snabbt om allt väl blivit bra placerat. I engelspråkig litteratur tar man ofta om loop area. Det vill säga slingarean ska minimeras. Detta för att både minska utstrålning och egen känslighet. Boken The Design Analysis Handbook har en del matematiska uttryck för att uppskatta detta.

Bästa verktyget för min del är pennor i olika färger. Jag skissar lite på papper, ritar eventuella strömslingor först i schema sedan över tänkt kretskort sätt ovanifrån. Sedan brukar jag inte vara rädd för byta komponenter om layouten kan bli enklare. Oftast börjar jag ändå med mönsterkortet samtidigt som schemat tas fram då krav på utrymme brukar finnas med.

[psynoise]

Har väl en prototypkraftomvandlare tagits fram testar vi mycket med spektrumanalysator på jobbet. Mycket A och B test vilket ofta ger snabba resultat. Exempel koppla Y-kondensatorer mot chassi, justera CM-filter, justera DM-filter. Bästa är att samla på sig lite olika induktorer och kondensatorer. Dock kan det gå en del tid till att för labbänken tyst då diverse utrustning kan störa en hel del.

Hittas en nod med mycket störningar kopplas såklart oscilloskop in. Ibland kan stora problem förenklas med andra halvledare. Se upp med snabba transistorer, långsamma dioder, stora parasitkapacitanser. Är man försiktig går A och B test också. Olika typer av snubbrar är också bra verktyg. Om något ringer kan det dämpas med RC-snubber. Blir någon transient för stor kan det behövas klippsnubber. Är effektbudgeten snål finns det även varianter som leder energin tillbaka till kretsen.

[qx5]

Hur leder du effekten tillbaka till kretsen?

[psynoise]

Det finns olika varianter, men gemensamt är att någon form av induktans behövs till skillnad från en dissipativ RC-snubber. Dock har jag inte testat dessa varianter ännu men tekniken är klart intressant. "snubber circuits energy recovery" borde ge en del på Google.

[jon_kanon]

Här var det fart igen. Trevligt!

En uppdatering av förutsättningarna: Max inspänning är 35V, inte 17V som jag påstod initialt.

Tack för alla tips hittills:
* Snävare loopar
* Avkopplingen på rätt ställe och av rätt typ
* Mindre L1

Mindre L1 gör mig ändå nervös. Grunkans lägsta strömförbrukning är nedåt 100-150mA och ska man följa databladets rekommendation på rippelström < Imin/2 så blir L1 stor om man vill undvika discontinous mode (DCM). Egentligen finns det ju ingen anledning att undvika DCM om man kan hantera det. Då kan L1 väljas utifrån Imax istället och bli mycket mindre. Men hur kan man hantera DCM?