Bootcamp de emisiones conducidas

Las emisiones conducidas que afectan negativamente a un sistema electrónico, ya sea a través de emisiones acopladas internamente o de cables conectados externamente, son motivo de preocupación para los diseñadores de hardware que buscan pasar las pruebas de inmunidad conducida o limitar el ruido eléctrico de su dispositivo. El resultado es la necesidad de comprender cómo podría conducirse el ruido eléctrico a través de un sistema. Esto requiere una comprensión de los diferentes tipos de corrientes de ruido, cómo medirlas y, en última instancia, qué tipo de mecanismo de supresión usar para sacar su producto de la puerta. Por supuesto, deberán hacer esto determinando qué método de supresión es el más rentable para el tipo de emisión conducida que están recibiendo.

Para comprender mejor qué son exactamente las emisiones conducidas, primero hablaremos sobre los dos tipos de emisiones que encontrarán los ingenieros. Después de obtener una primera comprensión de los principios de esas emisiones, y cómo pueden incluso afectar las emisiones radiadas, se discutirán sus rutas y fuentes típicas, lo que permite a los diseñadores de hardware detectar estos problemas en la fase de diseño, para evitar agregar componentes costosos en fases posteriores de desarrollo. Después de la identificación y comprensión del problema, el siguiente tema más importante es cómo medir estas emisiones. Aquí es donde los ingenieros encontrarán estos dos dispositivos comunes durante las pruebas, ya sea una red de acoplamiento direccional para pruebas de inmunidad inyectada o una red de estabilización de impedancia de línea (LISN) para la medición de emisiones. Finalmente, después de comprender cómo medir, analizaremos los filtros y componentes para diferentes aplicaciones.

Al final del artículo, debe tener una buena comprensión de qué son las emisiones conducidas, sus fuentes y rutas, cómo medirlas y, por último, cómo controlarlas en diferentes etapas de diseño.

Figura 1: El modelo EMC que describe la fuente, la ruta y el receptor del ruido

Emisiones conducidas y el modelo EMC La mayoría, si no todos, hemos experimentado problemas con las emisiones conducidas, ya sea a través de un zumbido del alternador en el sistema estéreo de su vehículo o una aspiradora que interfiere con su televisor. Debido a eso, es importante comprender en qué parte del modelo EMC de fuente-ruta-receptor encajan las emisiones conducidas para solucionar rápidamente un problema.

La fuente de la mayoría de los problemas de emisiones conducidas se clasifica como aquellas que provienen del exterior del sistema y las que provienen del interior o localmente al módulo o sistema que se está probando. Debido a esto, encontrará una gran cantidad de materiales de emisiones conducidas que se enfocan en el diseño del filtro y el enrutamiento de cables para tratar de reducir el efecto que la fuente de ruido tiene en el sistema. Un ejemplo de esto, descrito anteriormente, es un alternador que crea una corriente de ruido no deseada como resultado de su generación de energía descrita en la Figura 2.

Figura 2: (Izquierda) Una emisión conducida que interfiere con el funcionamiento de la radio. (Derecha) Una emisión conducida que irradia sobre una antena que interfiere con el funcionamiento de la radio

Esta corriente de ruido puede variar con la velocidad del motor y podría afectar negativamente el rendimiento de la radio, ya sea a través de una ruta conducida o radiada. Si bien puede pensar que la fuente de ruido es normalmente fácil de detectar, ya que tiene características que incluyen contenido armónico o amplitudes altas, el camino que toma este ruido a menudo es difícil de seguir. Los ejemplos de estos tipos de rutas suelen ser el resultado de un mecanismo de acoplamiento no deseado, como un cable mal conectado a tierra, un chasis conductor o capacitancias parásitas que surgen de algo tan benigno como un disipador de calor en un transistor. La Figura 3 muestra un ejemplo en el que un convertidor de conmutación fuera de línea se maneja a 150 kHz, el capacitor de la línea de puntos representa una capacitancia parásita que existe entre el disipador de calor y la "tierra". La línea roja representa la ruta de la corriente de ruido puede tomar, y trae un dispositivo que se mencionará más adelante llamado LISN que ayudará a medir el voltaje creado por esta corriente conducida. También es importante recordar que en las Figuras 2 y 3, la ruta incluye una ruta radiada hacia una antena y hacia el amplificador estéreo o hacia un chasis conductor.

Figura 3: Un ejemplo de una ruta de corriente de modo común con acoplamiento parásito

Para controlar las emisiones conducidas, primero debemos crear algunas reglas que nos ayuden a identificar el tipo de emisión conducida para que podamos identificar la fuente y filtrarla, o la ruta y redirigir o modificar el sistema para que ya no lo sea. un problema.

Tipos de emisiones conducidas El primer paso para tratar los problemas de emisiones conducidas es identificar primero cómo se transmite la ruta de ruido a través de su sistema, ya sea a través de la ruta de corriente operativa (bucle) o por una ruta de corriente no deseada (irradiada o a lo largo de la línea común). Por lo tanto, las emisiones conducidas se clasifican en función de la condición que las creó y, como tal, dan como resultado diferentes remedios.

Modo diferencial El primer tipo de corriente de ruido que aparece en serie con la corriente operativa se conoce como corriente de modo diferencial o ruido de modo diferencial. En la Figura 4 se hace referencia a un diagrama común que generalmente se muestra cuando se describe el ruido de modo diferencial, donde en un sistema tradicional de tres hilos la fuente de ruido se representa a lo largo de la carga. La corriente de modo diferencial aquí crea un voltaje de ruido denominado en serie con las líneas viva y neutra; en sistemas que no sean de tres hilos, se considerarían las líneas de señal y retorno. Aparece en serie con la corriente operacional y como su nombre indica es de naturaleza diferencial.

Figura 4: Ejemplo de fuente de ruido de modo diferencial en un sistema de tres hilos

Afortunadamente, la depuración de problemas de modo diferencial suele ser sencilla, ya que está en serie con la corriente del bucle y, como tal, las pistas para resolver el problema se pueden encontrar analizando cuidadosamente un esquema para cosas como:

Figura 5: La ESR de un condensador de derivación que provoca una caída de tensión

Ruido de modo común Después de referirse a las corrientes de ruido de modo diferencial como corrientes de ruido que fluyen en direcciones opuestas, entonces tiene sentido referirse a lo contrario donde las corrientes de ruido aparecen en la misma dirección; dado que la emisión es común tanto a la señal como a la ruta de retorno, se denomina ruido de modo común. Para ayudar a visualizar esta situación, nuevamente nos referimos a un sistema simple de tres hilos en la Figura 6; aquí encontrará el voltaje de ruido debido a las corrientes de ruido que aparecen a través de tierra verdadera, un camino que normalmente no transporta corriente. La corriente de modo común aquí aparece en la tierra común a las líneas viva y neutra.

Figura 6: Ejemplo de fuente de ruido de modo común en un sistema de tres hilos

Desafortunadamente, este tipo de corriente de ruido es más difícil de identificar, ya que es muy sensible al camino que toman las corrientes de ruido. Su camino generalmente involucra parásitos y no se relaciona con el flujo de corriente operativo normal y, como tal, no aparece en un esquema. En la Figura 7, encontrará un ejemplo de cómo la ruta de modo común puede propagarse en un sistema de dos hilos que involucra dos transistores y un convertidor CC/CC que impulsa una carga en una carcasa de metal flotante.

Figura 7: Ejemplo de ruta de emisiones en modo común a través de parásitos

Los problemas de ruido de modo común son un dolor de cabeza para los diseñadores y, por lo general, forman parte de un problema físico como:

Además, si bien son capaces de aparecer en la gran mayoría de los sistemas electrónicos, es más probable que causen dolores de cabeza en:

Además, el camino de modo común suele ser el culpable de la mayoría de los problemas de emisiones radiadas, ya que los bucles de corriente creados por las corrientes de ruido que toman este camino tienden a ser más grandes que el modo diferencial.

Al depurar y tratar de analizar el camino que está tomando la emisión conducida, es importante comprender que los problemas de modo común y modo diferencial no son situaciones mutuamente excluyentes. La corriente de modo diferencial que está desequilibrada entre la fuente y la ruta de retorno puede presentarse como ruido de modo común, por ejemplo. Además, por ello, la forma más eficiente de gestionar el problema es la supresión en la fuente, lo que implica prestar atención a las fuentes comunes de ruido:

Sin un análisis cuidadoso, las técnicas de filtración y supresión utilizadas para reducir uno pueden resultar en un aumento para el otro.

Emisiones conducidas como problemas radiados Antes de analizar cómo medimos las emisiones conducidas, es importante comprender que las corrientes de modo común y diferencial no son solo un problema de hardware, sino que también se relacionan con el campo eléctrico radiado. Cantidades excesivas de uno o ambos pueden hacer que un dispositivo no pase las pruebas de emisiones radiadas además de causar problemas operativos. Para controlar las corrientes de modo común y diferencial, primero debemos entender cómo se relacionan estas corrientes con el campo medido. Una ecuación común que podemos usar para estimar las emisiones radiadas en modo diferencial una corriente en modo diferencial con la siguiente fórmula:

Es importante tener en cuenta que, dado que las corrientes de modo diferencial son corrientes de bucle, las emisiones que generan son lineales con el área del bucle que recorren. Por el contrario, el campo generado por la corriente de modo común viene dado por:

En ambas ecuaciones, notamos una dependencia de la frecuencia y dos constantes. Estas constantes son diferentes en un orden de magnitud:

Si consideramos que las corrientes de modo común y diferencial en un sistema contribuyen al ruido en un sistema, debemos notar que el campo proveniente de una corriente de modo común es mucho más fuerte que el de un modo diferencial. Al usar algo de álgebra para simplificar las ecuaciones al establecer el área de corte en , una longitud de cable de y la frecuencia en 48 MHz, podemos tener una idea de cómo las corrientes de modo común y diferencial se relacionan entre sí; esto se muestra de la siguiente manera:

Esta ecuación nos dice que para este conjunto de parámetros simplificados, un solo microamperio de corriente de modo común puede producir el mismo campo generado por un miliamperio de corriente de modo diferencial.

Técnicas de medición Ahora que hemos discutido los diferentes tipos de fuentes de ruido, sus inconvenientes y dado algunos ejemplos, el siguiente paso lógico para solucionarlos es descubrir cómo evaluarlos. La evaluación de los efectos que tiene el ruido en un circuito, así como las emisiones provenientes de un dispositivo, genera dos dispositivos comunes, el primero de los cuales es un LISN. El LISN se utiliza para medir las emisiones conducidas provenientes del dispositivo bajo prueba y asegura la repetibilidad entre las configuraciones de prueba y el aislamiento de la variabilidad del ruido exterior. La segunda es la red de acoplamiento direccional (DCN), que se utiliza para evaluar cómo reacciona su dispositivo bajo prueba a las emisiones conducidas, generalmente denominada prueba de inmunidad inyectada. Aquí, en lugar de medir el ruido, la prueba está diseñada para ver cómo reacciona el dispositivo a cantidades variables de ruido de RF inyectado impuesto a la red eléctrica de CA de un dispositivo.

Las configuraciones físicas, las especificaciones y los detalles detrás de las configuraciones de prueba para cada uno de estos dispositivos varían de una industria a otra.

Presentamos la Red de Estabilización de Impedancia de Línea Primero, discutiremos el LISN como un dispositivo valioso para medir las emisiones provenientes de su dispositivo; su objetivo principal es tener una impedancia de línea constante en el rango de frecuencias de medición de interés. En la Figura 8 se muestra un ejemplo de impedancias LISN donde la impedancia no es una constante de 50 ohmios hasta 1 MHz.

Dado que el LISN está diseñado para aislar el dispositivo que se está probando de la variabilidad de la impedancia de la línea eléctrica y proporcionar un puerto de medición, se ubica en línea con la alimentación de entrada y separa la corriente de alimentación de la corriente de ruido, así como también bloquea cualquier corriente de ruido externo para que no corrompa el medición. Este diagrama de bloques, que se muestra en la Figura 9, detalla dónde existe el LISN en relación con el producto y el sistema de energía comercial.

Figura 9: Diagrama de un LISN colocado junto a un DUT

Echando un vistazo más de cerca al interior del LISN, encontraremos un filtro de paso bajo formado por inductores y condensadores. Mirando de cerca este diagrama, y ​​volviendo a las Figuras 4 y 6, notará que el LISN mide voltajes de modo común y diferencial desde su puerto de medición.

Los valores de los componentes dentro del LISN, si bien son similares, no son los mismos en diferentes industrias y diferentes rangos de frecuencia. Esto se debe a que cada especificación y organismo regulador requiere diferentes impedancias estabilizadas específicas para el entorno en el que operan; sin embargo, hay algunos comunes que se muestran en la Figura 11.

Figura 10: Diagrama interno de un LISN conectado a una entrada de alimentación de CA conectada a un DUT

Figura 11: Ejemplos de partes internas de un LISN

El LISN permite al probador o al diseñador ver si las emisiones provenientes de su dispositivo cumplen con el número cada vez mayor de organismos reguladores, o si es necesario realizar un trabajo adicional en el filtrado de la fuente de alimentación. Sin embargo, si desea ver lo que sucede en presencia de una perturbación conducida desde otro lugar del sistema de energía comercial, por ejemplo, cuando un motor se enciende o se apaga, la red de acoplamiento direccional es el dispositivo para probar su inmunidad.

Presentamos la red de acoplamiento Medir cómo funciona su dispositivo bajo perturbaciones es útil en una amplia gama de aplicaciones. Desde la industria automotriz, donde los diseñadores tienen que asegurarse de que un alternador que descarga corriente en el sistema de su vehículo no dañe los componentes electrónicos, hasta los sistemas comerciales donde desea asegurarse de que su estufa no se encienda cada vez que lo hace el refrigerador. A los efectos de este artículo, nos centraremos en los estándares de prueba de la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) para uso comercial e industrial definidos en las pruebas de la serie 61000. IEC es el organismo rector que establece una configuración genérica que cubre las perturbaciones conducidas y radiadas en una amplia gama de criterios de prueba en sus pruebas de la serie 61000. Los dos que se relacionan con el contenido de este artículo son:

Estas pruebas someten al dispositivo a perturbaciones en configuraciones de modo común y diferencial y son más útiles para dispositivos con al menos un cable conductor como: suministro principal, línea de señal, línea de medición o una conexión a tierra que se conecta a otro sistema. Están destinados a exponer las debilidades de su producto a fuentes de ruido comunes, como PWM, relojes y parloteo de relés que podrían ingresar a su sistema. El diagrama de bloques para una prueba de inmunidad es similar a la Figura 12, donde tiene un generador de señal, un amplificador y un acoplador direccional que funcionan juntos para entregar una señal de ruido constante modulada sobre la red de CA normal.

Figura 12: diagrama de bloques de un acoplador direccional en una configuración de prueba

En algunos sistemas de gama alta, se usa un medidor de potencia y un controlador de computadora para medir y controlar la amplitud de la perturbación inyectada para tener en cuenta las pérdidas de RF en el sistema en el rango de frecuencias interesadas. Para las series de pruebas 4-6, la amplitud del ruido inyectado se debe mantener constante en 1, 3 o 10 V, según el nivel de certificación que desee probar. A diferencia de la medición de emisiones, esta prueba se puede matizar según la industria en la que se encuentre, ya que los criterios de aceptación se basan en su elección e IEC simplemente describe los requisitos y métodos de prueba. Por ejemplo, es posible que desee que su dispositivo funcione correctamente a 3 V de perturbaciones mientras está en funcionamiento, pero a 10 V es posible que el dispositivo no tenga por qué fallar en condiciones ambientales. Además, no todos los acopladores direccionales son iguales y vienen en una variedad de sabores para adaptarse a su aplicación; en la Figura 13 se muestran ejemplos de los más comunes.

Figura 13: Imágenes de tres tipos diferentes de acopladores direccionales

Después de medir el rendimiento de su dispositivo, y como la mayoría encuentra un problema, el siguiente paso es averiguar qué puede hacer para filtrar o suprimir las emisiones espurias para que su producto pueda venderse.

Filtrado y otras técnicas de supresión Atacar las emisiones conducidas desde el principio y de la manera más eficiente posible es la mejor manera de evitar cambios costosos en una etapa posterior del proceso de diseño. Por esta razón, después de evaluar su sistema al principio del proceso de desarrollo y al encontrar un problema, tenemos que preguntarnos: ¿Es este un problema de modo común o un problema de modo diferencial? Cada tipo de emisión tiene su propio mecanismo de supresión, y las soluciones pueden variar desde técnicas sensibles al costo, como un mejor diseño o filtro, hasta dispositivos de última hora, como estranguladores costosos, perlas de ferrita y cableado. En cualquier situación, el objetivo de cualquier filtro es afectar la impedancia de la ruta de la corriente provocando un desajuste entre la impedancia de la fuente de ruido y la ruta que afecta al receptor.

Primero comenzaremos con el filtrado; algo con lo que muchos ingenieros están familiarizados desde que aprendieron por primera vez que el filtro de paso bajo de primer orden puede eliminar el ruido de un motor o microprocesador. El objetivo de un filtro de modo diferencial es proporcionar un desajuste de impedancia entre el circuito y el filtro, de modo que el filtro absorba o redirija el ruido lejos de la carga.

Estos componentes de filtro generalmente consisten en inductancia en serie y capacitancia en paralelo, y pueden diseñarse para tener un impacto mínimo sobre la corriente deseada siempre que se tengan en cuenta las impedancias de fuente y carga en su diseño. Para ayudar a comprender cómo la impedancia de estos elementos reactivos ayuda a filtrarlo, es útil pensar en los condensadores como de alta impedancia (contienen un circuito abierto) y, por el contrario, en los inductores como de baja impedancia (están hechos de alambre desnudo). Con este conocimiento, la Figura 15 muestra cómo estos elementos pueden formar filtros primitivos a avanzados, como la red PI o T que se encuentra en muchos filtros de línea.

Figura 14: Impedancias de filtro vistas por la fuente y la carga

Figura 15: Tabla que muestra los diferentes tipos de impedancias de filtro y cómo conectarlos a la fuente y la carga

Al elegir el tipo de componentes a utilizar, es importante tener en cuenta que los parásitos de componentes y conductores pueden desempeñar un papel importante en el rendimiento de estos filtros y, a menudo, un analizador de espectro con un generador de seguimiento puede ser una herramienta invaluable en la evaluación de la pérdida de inserción de estos filtros.

Si bien los filtros de modo diferencial se encuentran entre los componentes de filtrado de modo diferencial más familiares, el ejemplo de modo común más ubicuo son probablemente los estranguladores y las perlas de ferrita. Además, como su nombre lo sugiere, estos componentes solo afectan la ruta de corriente de modo común al presentar una gran impedancia a las corrientes que viajan en la misma dirección. Un diagrama que se muestra en la Figura 16 demuestra cómo las corrientes de modo común crean campos magnéticos de cancelación mientras que las corrientes de modo diferencial pueden pasar a través del estrangulador de anillo sin atenuación.

Figura 16: Corrientes y sus campos en un estrangulador de modo común

Otros ejemplos caben sobre las líneas eléctricas (como el pequeño dispositivo conectado al cable de su computadora portátil), pero siempre se encuentran más cerca de la fuente de ruido; los ejemplos se muestran en la Figura 17. El rango efectivo de frecuencias y el nivel de atenuación para cada dispositivo depende del material de ferrita y la cantidad de vueltas que tiene el cable a través del estrangulador.

Figura 17: Ejemplos de estranguladores de modo común

Es importante tener en cuenta que su eficacia de última hora tiene un precio de coste y fiabilidad, ya que suelen ser piezas caras y pueden caerse.

Como se indicó anteriormente, si bien un diseño inteligente puede evitar muchos problemas, el filtro frontal de la fuente de alimentación es donde su dinero puede ser más efectivo para reducir el ruido. Ahora que hemos introducido estranguladores y filtros de modo diferencial, podemos unirlos para formar un filtro de línea de alimentación. En la Figura 18 se muestra una descripción general del filtro.

Figura 18: Ejemplo esquemático de filtro de línea eléctrica

Si bien esto puede ser mucho para ver, podemos dividirlo en sus dos componentes: primero el componente de modo diferencial como se muestra en la Figura 19.

Figura 19: Sección de modo diferencial del filtro de línea eléctrica

Esta sección del filtro se compone de uno o más condensadores de modo diferencial a lo largo de la línea de alimentación y de retorno y desvía cualquier ruido de alta frecuencia que pueda estar en serie con la corriente de alimentación de vuelta a la fuente. Este condensador se conoce como y suele ser grande con respecto a los condensadores de modo común. Es importante señalar aquí que existe cierta inductancia de fuga causada por un acoplamiento imperfecto en la siguiente etapa del filtro, el estrangulador.

La sección de modo común del filtro se compone de un estrangulador de modo común y utiliza condensadores de derivación de línea para brindar una ruta de baja impedancia de cualquier ruido de modo común desde la fuente de alimentación o el dispositivo, de regreso a su fuente. Un ejemplo se muestra en la Figura 20.

Figura 20: Sección de modo común del filtro de línea eléctrica

Si bien se necesitan filtros, los ingenieros de hardware deben prestar atención al enrutamiento, la terminación y los parásitos durante la fase de diseño para maximizar la eficacia del filtro.

Conclusión Espero que este artículo lo haya inspirado para abordar su próximo problema de emisiones conducidas al brindarle una descripción general de los dos caminos que puede tomar el ruido. El primero es a través del modo diferencial e involucra la corriente operativa en el circuito, lo que significa que sigue una ruta documentada y puede resolverse mediante el análisis del sistema de las opciones esquemáticas, de diseño y de componentes. El segundo es a través del modo común, que generalmente se produce a través de la ruta no deseada proporcionada por componentes parásitos, como disipadores de calor o arneses de cableado mal terminados. Aquí el ingeniero debe concentrarse en la fuente y los caminos para resolver el problema. Los LISN y las redes de acoplamiento direccional son dispositivos comunes que se utilizan para medir el rendimiento de su producto, de modo que cuando llega el momento de diseñar un filtro, se hace para maximizar la eficacia y lo suficientemente temprano como para que el aumento de costos sea nominal.

cristobal semanson trabaja en Renesas Electronics America Inc. como ingeniero de aplicaciones eléctricas en Durham, NC y brinda soporte a una amplia variedad de aplicaciones de propósito general. Tiene cinco años de experiencia previa en EMC Education en la Universidad de Michigan, enseñando EMC y Electrónica con Mark Steffka. Tiene una licenciatura en Ingeniería Eléctrica e Informática y una maestría en Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Michigan Dearborn. Chris puede ser contactado en [email protected].

chris semansonChristopher Semansonemisiones conducidasdiseñoemc

Christopher Semanson trabaja en Renesas Electronics America Inc. como ingeniero de aplicaciones de sistemas de energía del personal en Durham, NC, apoyando el diseño de PMIC y otros semiconductores de generación de energía en aplicaciones automotrices de acuerdo con ISO 26262. Tiene cinco años de experiencia previa en EMC Education en el Universidad de Michigan, enseñando EMC y Electrónica con Mark Steffka. Semanson tiene una licenciatura en Ingeniería Eléctrica e Informática y una maestría en Ingeniería Eléctrica de la Universidad de Michigan Dearborn. Se le puede contactar en [email protected].

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