Innowacje technologiczne, takie jak Internet Rzeczy czy łączność 5G stają się nieodłączną częścią naszego codziennego życia. Powoduje to potrzebę regulacji emisji elektromagnetycznych tych urządzeń i określenia ich odporności na zakłócenia elektromagnetyczne. Spełnienie standardów kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) często jest złożonym zadaniem. Ten artykuł opisuje symulator obwodów LTspice, dostępny na licencji open-source. Pomaga on odpowiedzieć na pytania: (a) czy projektowany system przejdzie testy EMC, czy też muszę skorzystać z technik zmniejszających emisję? oraz (b) w jakim stopniu mój projekt jest odporny na zakłócenia ze środowiska zewnętrznego?

Dlaczego warto używać LTspice do symulacji EMC?

Projektowanie pod kątem EMC powinno być jak najbardziej zgodne z harmonogramem produkcji. Często jednak tak nie jest, ponieważ problemy z EMC i testy laboratoryjne mogą opóźnić wydanie produktu o wiele miesięcy.

Zazwyczaj symulacja obwodów skupia się na testowaniu funkcjonalnych aspektów pracy urządzenia elektronicznego. Tym niemniej nawet proste narzędzia open-source, jak LTspice, można wykorzystać do symulacji kompatybilności elektromagnetycznej dowolnego urządzenia. Aktualnie wielu z nas pracuje z domu, a koszty laboratorium EMC są na wagę złota (nawet do 5000 zł dziennie). Dokładne narzędzia do symulacji EMC są więc bardzo przydatne. Poświęcenie kilku godzin na poszukiwanie przyczyn zbyt wysokich emisji EMC i korekta obwodów w symulatorze pomaga uniknąć wielokrotnych testów laboratoryjnych i kosztownego tworzenia kolejnych iteracji projektów w sprzęcie.

Aby jednak wyniki były użyteczne, narzędzie do symulacji EMC musi być jak najdokładniejsze. Artykuł zawiera więc również wskazówki oraz modele symulowanych obwodów EMC w LTspice, dość zgodne z rzeczywistymi pomiarami laboratoryjnymi.

Wykorzystanie LTspice do rozwiązania problemów z emisją i odpornością elektromagnetyczną

Ten artykuł pozwoli uzyskać odpowiedzi na następujące kluczowe pytania:

(a) Czy mój układ ma szansę przejść testy EMC? Czy powinienem może zostawić dodatkową przestrzeń dla dławika, cewki filtrującej lub kondensatora? Po przeczytaniu tego artykułu powinieneś być w stanie użyć LTspice do wykreślenia szumów różnicowych i szumów w trybie współbieżnym dla projektu konwertera buck i stwierdzić, czy obwód spełnia czy też nie spełnia norm EMC oraz gdzie dokładnie występują problemy (patrz rysunek 1).

(b) Czy dla obciążenia wrażliwego na skoki zasilania należy dołączyć na wyjściu konwertera dodatkowy stabilizator liniowy? Po przeczytaniu tego artykułu powinieneś być w stanie użyć LTspice, aby ocenić czy na wyjściu konwertera buck wymagany jest dodatkowy stabilizator LDO w zależności od tolerowanego poziomu napięcia tętnienia wyjściowego. Ponadto artykuł ten opisuje konfigurowalny obwód testujący odporność na zakłócenia (PSRR, a więc stopień przenoszenia zakłóceń z zasilania na wyjście układu).

Rysunek 1. Wykres LTspice przedstawiający szumy różnicowe i szumy w trybie współbieżnym wraz linią wyznaczającą dopuszczalny poziom emisji

Konwerter buck w układach zasilania czujników

Czujniki wibracji MEMS są zwykle umieszczane w małych metalowych obudowach o średnicy od 20 do 30 mm i wysokości od 50 do 60 mm. Czujniki mają cyfrowe interfejsy i zazwyczaj są zasilane napięciem od 9 V do 30 V, za pośrednictwem stosunkowo długich przewodów. Zużywają zwykle moc poniżej 300 mW. Aby zmieścić się w małej obudowie, wymagane są rozwiązania zasilające o niewielkich wymiarach, charakteryzujące się wysoką wydajnością i szerokim zakresem napięć wejściowych.

Układy LT8618, LT8618-3.3 i LT8604 to kompaktowe, szybkie stabilizatory obniżające napięcie, idealne do zastosowań z czujnikami MEMS. Dla układów LT8618 i LT8618-3.3 dostępne są już modele LTspice. LT8618 zapewnia bardzo niskie tętnienia wyjściowe poniżej 10 mV p-p. Tym niemniej pasożytnicza rezystancja i indukcyjność zespołu kondensatorów na wyjściu mogą zwiększyć to tętnienie, powodując niepożądane emisje przewodzone z układu konwertera. Zjawiska pasożytnicze mogą wystąpić z powodu obciążenia o charakterze pojemnościowym, niepożądanego przełączania wyjścia konwertera lub też wystąpienia sprzężenia pojemnościowego między płytką PCB, a obudową czujnika.

Obliczanie i użycie wartości elementów pasożytniczych

Kolejne akapity opisują, w jaki sposób inżynier może wyodrębnić wartości pasożytnicze ESL i ESR z rzeczywistych kondensatorów za pomocą narzędzia Würth REDEXPERT oraz zasymulować obwód za pomocą LTspice. W wielu systemach pasożytnicze pojemności i indukcyjności na wejściu i wyjściu są głównym czynnikiem wpływającym na parametry EMI. Zrozumienie wkładu poszczególnych elementów pasożytniczych pomaga użytkownikowi dokonać najlepszego wyboru, a także zminimalizować tętnienia wyjściowe systemu.

Symulacja emisji przewodzonej dla konwertera buck jest omawiana zgodnie z zasadami pracy z programami LTspice i Würth REDEXPERT, jak to pokazano schematycznie na rysunku 2. Dla konwertera buck tętnienie wyjściowe jest zazwyczaj związane ze stosunkiem sygnału do szumu (SNR), podczas gdy tętnienie wejściowe jest ściśle powiązane z parametrami EMC.

Po przedstawieniu podejścia symulacyjnego przedstawionego na rysunku 2, artykuł pokazuje rzeczywiste pomiary laboratoryjne i ich korelację z symulacją przy użyciu płytki demonstracyjnej DC2822A LT8618.

Rysunek 2. Przebieg procesu symulacji emisji za pomocą LTspice.

Przykładowy obwód w LTspice z danymi uzyskanymi z Würth REDEXPERT

Napięcie tętnienia wyjściowego konwertera buck jest funkcją impedancji kondensatora oraz prądu cewki indukcyjnej. Aby uzyskać lepszą dokładność symulacji, można użyć Würth REDEXPERT do wyboru kondensatora wyjściowego 4,7 μF (885012208040) i uzyskania wartości ESR i ESL dla zadanej częstotliwości. Czasem ESL i ESR są już zapisane w modelu kondensatora LTspice, ale łatwo sprawdzić, że ESL jest często pomijany. Rysunki 3a i 3b przedstawiają dwa równoważne obwody: (a) z kondensatorem wyjściowym 4,7 μF i osobno dodanymi wartościami ESL i ESR oraz (b) z kondensatorem firmy Würth, który zawiera opisane parametry ESR i ESL.

Rysunek 3. Obwody testowe LTspice: (a) z kondensatorem wyjściowym 4,7 μF i osobnymi modelami ESL i ESR oraz (b) z kondensatorem Würtha, który zawiera w modelu parametry ESR i ESL

REDEXPERT prezentuje impedancję w funkcji częstotliwości dla wielu elementów, umożliwiając określenie kluczowych parametrów pasożytniczych każdego komponentu pasywnego. Wartości te można później zaimplementować w modelach LTspice, umożliwiając zrozumienie wpływu parametru na całkowite tętnienie napięcia.

Jak wspomniano wcześniej, układ LT8618 zapewnia bardzo niskie tętnienia wyjściowe poniżej 10 mV p-p. Jednak podczas symulacji wpływu obciążenia pojemnościowego i ESL, napięcie tętnienia wyjściowego wynosi aż 44 mV p-p. ESL kondensatora znacząco przyczynia się bowiem do wzrostu szumu w funkcji częstotliwości, tak jak pokazano na wykresie FFT na rysunku 4.

Rysunek 4. Wykres transformaty FFT pokazujący składniki widma częstotliwościowego sygnału wyjściowego dla samej pojemności, ESL, a także ESR kondensatora 4,7 μF

Ocena zgodności ze standardami EMI na zasilacza buck za pomocą obwodu LISN w LTspice

Aby ocenić zgodność ze standardami EMC wykorzystuje się sieci LISN (ang. line impedance stabilization network) lub AMN (ang. artificial mains network). Urządzenia te pełnią podobną funkcję i są umieszczane pomiędzy zasilaczem obwodu a testowanym urządzeniem (DUT), w naszym przypadku – przetwornikiem buck. Sieć LISN/AMN składa się z filtrów dolnoprzepustowych i górnoprzepustowych. Filtry dolnoprzepustowe zapewniają ścieżkę zasilania dla niskiej częstotliwości (od DC do kilkuset Hz). Natomiast, filtry górnoprzepustowe służą do pomiaru szumów linii zasilającej i szumów powrotnych. Napięcia te są mierzone na rezystorach 50 Ω, co pokazano na Rysunku 5 i Rysunku 6¹. W prawdziwym laboratorium napięcie to jest mierzone za pomocą specjalnego odbiornika EMI. LTspice może być używany do pomiaru szumów i wykreślania poziomu emisji przewodzonej w funkcji częstotliwości.

Rysunek 5. Sieć LISN umieszczona pomiędzy zasilaczem a testowanym urządzeniem

Rysunek 6. Reprezentacja interferencji w trybie wspólnym i różnicowym wewnątrz sieci LISN

Emisje przewodzone można podzielić na szum w trybie wspólnym (CM) oraz szum w trybie różnicowym (DM). Ważne jest, aby rozróżnić szum CM i DM, ponieważ niektóre techniki zmniejszania EMI mogą być skuteczne w przypadku szumu CM, ale nie DM lub też odwrotnie.

Napięcia V1 i V2 są wyprowadzane w tym samym czasie, co oznacza, że w testach emisji sieć LISN może być użyta do oddzielenia szumu CM i DM. Można to obejrzeć na rysunku 6.

Szum różnicowy jest wytwarzany między linią zasilającą a linią powrotną, podczas gdy szum wspólny między liniami zasilającymi a płaszczyzną uziemienia (taką jak miedziany stół testowy) poprzez pojemność rozproszoną, C_STRAY. W efekcie C_STRAY modeluje pasożytnicze szumy przełączania na wyjściu konwertera buck.

Symulacja sieci LISN

Obwód LISN w LTspice odpowiadający rysunkowi 6 pokazano na rys. 7. W celu uzyskania większej dokładności symulacji w obwodzie testowym zastosowano cewki indukcyjne L5 i L6 modelujące indukcyjność przewodów zasilających sieć LISN. Rezystor R10 modeluje impedancję płaszczyzny uziemienia płytki testowej. Rysunek 7 zawiera również kondensator C10 użyty do modelowania C_STRAY. Kondensator C11 z kolei zastępuje pojemność pasożytniczą pomiędzy płytką, a obudową mechaniczną czujnika.

Podczas przeprowadzania symulacji należy skonfigurować LTspice tak, aby umożliwić układowi LISN szybsze osiągnięcie stanu ustalonego, ponieważ zły wybór warunków rozruchu może prowadzić do generowania długotrwałych oscylacji. Upewnij się, że odznaczyłeś opcję „Start External DC Supply Voltages at Zero” i jeśli to konieczne określ stan początkowy (napięcia i prądu) elementów obwodu.

Rysunek 7. Obwód LISN LTspice, konwerter buck LT8618 i modelowanie elementów pasożytniczych

Rysunek 8 prezentuje szum w trybie wspólnym i różnicowym przy użyciu wykresu FFT w programie LTspice. Szum jest mierzony na zaciskach V1 i V2 sieci LISN. Aby odtworzyć operacje arytmetyczne pokazane na rysunku 6, sygnały V1 i V2 są odejmowane i mnożone przez 0,5 dla szumu DM, a dla szumu CM – dodawane i pomnożone przez 0,5.

W laboratorium emisje przewodzone są zwykle mierzone w dBμV, podczas gdy domyślna jednostka w LTspice to 1 dbV. Zależność między nimi to 1 dbV = 120 dBμV.

Wzór LTspice dla szumu różnicowego w dBμV to zatem:

a dla szumu w trybie wspólnym to:

Rysunek 8. Wykres transformaty FFT w programie LTspice dla szumu DM (czarny) i szumu CM (niebieski)

Dodawanie linii granicznych

Parametry wyświetlania przebiegów wykresu FFT w LTspice można edytować za pomocą pliku ustawień wykresu. Korzystając z menu FFT, przejdź do opcji „Save Plot Settings” i naciśnij Save. Plik można otworzyć za pomocą edytora tekstu i zmieniać go tak, aby dodać linię graniczną emisji przewodzonej według normy EN 55022, a także odpowiedni zakres częstotliwości EMC (10 kHz do 30 MHz) i amplitudy (0 dBμV do 120 dBμV). Częstotliwości i limity amplitudy emisji przewodzonej w normie EN 55022 można edytować za pomocą programu Excel. Pozwoli to zapewnić poprawną składnię oraz skopiowanie i wklejenie do pliku ustawień wykresu LTspice, jak pokazano na rysunku 9. Definicję linii można wkleić do parametrów ustawień wykresu, jak pokazano na rysunku 10. Rysunek 10 pokazuje również parametry częstotliwości (X) i amplitudy (Y).

Rysunek 9. Generowanie właściwej składni w celu skopiowania i wklejenia do pliku ustawień wydruku LTspice

Rysunek 10. Dodawanie definicji linii limitu emisji oraz skal częstotliwości/amplitudy

Rysunek 11 pokazuje linię dopuszczalnych emisji przewodzonych oraz widmo emisji CM i DM z układu buck. Widać , że obwód może nie przejść testów emisji w paśmie od 2,3 MHz do 30 MHz.

Rysunek 11. Wykres transformaty FFT w programie LTspice i linia graniczna emisji zgodnie z normą EN 55022

Poprawa parametrów EMI konwertera Buck

Aby zredukować szum różnicowy, na szynie wejściowej można wstawić kondensator o bardzo niskim ESL i ESR, taki jak Würth 885012209006 o pojemności 22 µF, co pokazano na rysunku 12 jako element C12.

Aby zredukować szum w trybie wspólnym, można dobrać filtr współbieżny taki jak Würth 744235251 (seria WE-CNSW) o indukcyjności 250 μH. Rozmiar elementu – 4,5×3,2×2,8 mm – jest idealny dla czujników MEMS o ograniczonej przestrzeni. Rysunek 13 przedstawia wykres transformaty FFT poprawionego konwertera.

Rysunek 12. Poprawa parametrów emisji z konwertera buck

Rysunek 13. Wykres transformaty FFT emisji ze zmodyfikowanego konwertera buck