Giảm bức xạ điện từ nhờ vào việc sử dụng tụ lọc nguồn đặt gần chân nguồn của IC trong bộ nguồn chuyển mạch (Swiching mode Power Suppy)

1. Giới thiệu

Bộ nguồn chuyển mạch Swiching Mode Power Suppy là một mạch điện tử có tác dụng chuyển đổi từ một điện áp cấp khác (thường là điện áp của nguồn xoay chiều AC) sang điện áp nguồn điện một chiều (DC) . Nó cũng là một dạng của chuyển đổi năng lượng. Có rất nhiều tên gọi cho thuật ngữ này như :bộ nguồn chuyển mạch hay nguồn xung, nguồn đóng ngắt, bộ chuyển đổi nguồn. Hoặc Switching Mode Power Supply (SMPS), còn gọi là DC-DC converter.

Giảm can nhiễu điện từ (EMI) trong bộ nguồn chuyển mạch là một thách thức, bởi vì hoạt động của nó liên quan đến tần số cao. Bài viết này sẽ đưa ra một số phân tích và giải pháp thiết kế để làm giảm can nhiễu liên quan đến bộ chuyển mạch này. Các giải pháp thiết kế được đưa ra trong bài viết này cũng phù hợp với các chuyển mạch cao tần tương tự khác. Bài viết này có tham khảo các tài liệu thiết kế đã được công bố của công ty RICHTECK (published document).

2. Thực nghiệm và kết quả

Trong nghiên cứu này, một mạch SMPS sẽ được phân tích theo các trường hợp đặt tụ lọc C-in ở các vị trí khác nhau (như hình)

Mạch nguyên lý SMPS của mạch được phân tích

Các vị trí đặt khác nhau của tụ Cin được phân tích trong bài viết này

Để xác định lượng điện trường bức xạ, chúng ta có công thức sau:

Trong đó: E là điện trường bức xạ ra không gian xung quanh vật đang được đo, f là tần số (Hz), A là diện tích vòng lặp (m2), R là khoảng cách đến vòng lặp đang xét (m), I là cường độ dòng điện trong vòng lặp (A).

Ví dụ: 1cm2 vòng lặp với dòng điện 1mA tại tần số 100MHz cách 3m sẽ tạo ra một trường điện từ 4.4uV/m (micro voltage) hoặc 12.9dBuV (decibel micro voltage)

Trong nghiên cứu này, một máy phân tích phổ và hiện sóng sẽ được sử dụng, một đầu đo được đo tại dây nguồn cung cấp vào (Vin=12VDC).

Sử dụng máy phân tích phổ và hiện sóng cho việc đo đạc

Một tụ điện sẽ mắc song song tại nguồn vào để giảm hiện tượng cộng hưởng do nguồn pin có cuộn cảm ký sinh. Tải là một mô hình tương đương với 1 trở 1 ohm song song với một tụ 10uF (micro Fara). Mạch này có thể cung cấp cho tải một dòng 3A với trở kháng thấp cho tần số cao. Đầu GROUND của dây Vin được nối với trở 100 ohm nối tiếp với bàn hoặc tường phòng hoặc sàn nhà ngay tại chỗ làm thí nghiệm, để tạo một tham chiếu đất.

Mô hình đo đạc gồm nguồn pin (Vin), mạch phân tích và tải

Một đầu dò trường điện từ (tự chế) của RICHTECK được mô tả như hình bên dưới

Đầu dò tự chế của RICHTEK phục vụ đo trường điện từ bức xạ ra

Thử nghiệm thứ 1: đặt tụ Cin xa chân Vin của IC

Đây là một vị trí đặt xấu, kết quả là tạo ra nhiều điện cảm ký sinh trong các lần chuyển mạch (chuyển mạch on/off theo đúng nghĩa là switching loop)

Trường hợp bố trí tụ C in ở vị trí xa, vòng lặp trở về lớn

Làm một thao tác đo nhiễu bức xạ tại dây Vin ta thấy biên độ tăng mạch và mở rộng một dải tần số lớn, bức xạ xảy ra nhiều ở dải trung tần từ 0-200MHz.

Nhiễu bức xạ (màu xanh), phổ của nhiễu bức xạ (màu đỏ)

Dùng đầu dò bức xạ điện trường, ta thấy dạng sóng chuyển mạch (switching waveform) có nhiều vọt lố lớn và nhiễu gợn (big overshoot and ringing ).

Kết quả đo bức xạ trên mạch không phủ GROUND bên dưới

Kết quả tốt hơn một chút với mạch hai lớp có phủ GROUND bên dưới, nhiễu gợn chuyển mạch có giảm nhẹ.

Kết quả đo bức xạ trên mạch có phủ GROUND bên dưới

Thử nghiệm thứ 2: Đặt tụ Cin ở vị trí gần chân Vin của IC hơn

Vọt lố và nhiễu gợn chuyển mạch có giảm đi 50%, bức xạ điện trường không quá 10dB, phổ nhiễu tập trung ở 300MHz trở lại.

Kết quả đo bức xạ khi đặt tụ Cin gần chân Vin của IC hơn

Đúng là quan trọng khi qua đây ta thấy đặt Cin gần chân Vin của IC làm giảm được bức xạ điện trường, làm giảm được vọt lố và nhiễu gợn (switching waveform overshoot & ringing).

Tử nghiệm thứ 3: Đặt thêm một tụ 10nF trực tiếp giữa chân Vin và GND của IC

Thêm tụ 10nF trực tiếp giữa chân Vin và GND của IC

Vọt lố chuyển mạch (switching waveform overshoot) đã biến mất, nhiễu cao tần cũng vậy, nhưng nhiễu thấp tần lại xuất hiện. Có các đỉnh xung quanh dải tần 25MHz.

Loại bỏ được nhiễu cao tần và vọt lố nhưn lại xuất hiện các đỉnh nhiễu quanh 25MHz

Nhiễu này là kết quả của cộng hưởng giữa tụ mới lắp 10nF (0603) với điện cảm ký sinh của vật dẫn 4nH (cho 3mm vật dẫn song song với tiếp xúc của tụ điện lên PCB) tạo ra một đáp ứng tần số 25MHz. Giải pháp là chúng ta có thể thêm một tụ lớn hơn 22uF (1206) song song với tụ 10nF (0603) như layout hình bên dưới.

Thêm tụ 22uH giúp giảm cộng hưởng tại tần số 25MHz

Với giải pháp này, cho bo một lớp, vọt lố chuyển mạch đã biến mất, cũng không còn nhiễu gợn, bức xạ điện từ cũng ở mức nền.

Loại bỏ được nhiễu cộng hưởng, nhiễu vọt lố, và nhiễu gợn

Vậy là trong ba trường hợp đã xét trên thì trường hợp đặt thêm hai tụ song song và gần với chân Vin cho kết quả tốt nhất

Đặt thêm hai tụ song song nagy tại chân Vin giúp giảm được bức xạ nhiễu, nhiễu vọt lố và nhiễu gợn

3. Kết Luận

Với bài viết này, hy vọng sẽ giúp ích cho các bạn thiết kế phần cứng cũng như layout, xem xét thật kỹ việc đặt tụ điện lọc nguồn Vin thật gần chân Vin của IC. Đồng thời xem xét khả năng tạo ra cộng hưởng giữa tụ Vin với điện cảm ký sinh để thêm hay không thêm một tụ điện song song khác nữa. Với cách làm như vậy sẽ loại bỏ được nhiễu vọt lố, nhiễu gợn, nhiễu cộng hưởng và làm giảm bức xạ điện từ về mức nền cho những khối mạch chuyển mạch nguồn (mạch nguồn xung).