L'ondulazione residua di questi tipi di moduli è spesso trascurabile, il che significa che nella maggior parte delle applicazioni è possibile utilizzare un filtro di uscita. Poiché la corrente di ingresso al convertitore buck emette impulsi, ciò può generare interferenze a radiofrequenza nell'applicazione. A seconda dell'applicazione specifica, lo sviluppatore hardware decide se posizionare un filtro di ingresso direttamente prima del modulo di potenza o in un'altra posizione sull'interruttore. Questo articolo descrive il processo di progettazione dei filtri di ingresso per moduli di potenza ottimizzati e le tecniche di misurazione utilizzate.
Come punto di partenza, è utile illustrare innanzitutto come viene generato il rumore in modo differenziale. Il rumore in modo differenziale è costituito da segnali di interferenza in un sistema con flusso reciproco simmetrico tra la sorgente e il carico sulle linee di un controller switching. Entra su una linea ed esce sull'altra.
Nel circuito di ingresso, la frequenza di clock del modulo di alimentazione include una componente CA sovrapposta alla corrente utile, simile nella configurazione alla corrente che scorre attraverso l'induttanza di accumulo del modulo di alimentazione. La corrente di ingresso fluisce nel condensatore di ingresso Cin. I condensatori reali hanno una componente resistiva, la ESR, e una componente induttiva, la ESL, come mostrato in Figura 2.
A causa della ESR del condensatore di ingresso e delle impedenze delle linee del modulo di alimentazione, le componenti CA producono una caduta di tensione indesiderata.
Pertanto, la tensione di rumore si manifesta come un segnale in modalità differenziale. L'ampiezza della tensione di interferenza all'ingresso del condensatore dipende principalmente dalla sua resistenza equivalente in serie (ESR). I condensatori elettrolitici hanno un'ESR relativamente elevata, che varia da pochi milliohm a diversi ohm. Di conseguenza, la tensione di interferenza può variare da pochi millivolt a diversi volt. D'altra parte, i condensatori ceramici hanno un'ESR molto bassa, di pochi milliohm, con conseguente tensione di rumore di pochi millivolt. Inoltre, la progettazione del circuito stampato del modulo di alimentazione esercita una forte influenza sulla tensione di interferenza.
Per ridurre il rumore in modo differenziale, è necessario installare almeno un semplice filtro LC all'ingresso del convertitore per minimizzare le componenti della linea CA. Nei sistemi ad alta impedenza, tali filtri di ingresso possono teoricamente produrre un'attenuazione di tensione di 40 dB/decade nella banda attenuata. In pratica, si ottiene un livello di attenuazione inferiore perché le impedenze dei terminali hanno un carico ohmico ridotto e anche perché i componenti stessi presentano perdite. Quando si dimensiona il filtro LC, si seleziona una frequenza di taglio "f" - "c" che è inferiore alla frequenza di commutazione "f" - "sw" del modulo di alimentazione. Se il fattore è un decimo, teoricamente, si ottiene una perdita di inserzione di 40 dB alla frequenza di commutazione in cui si verifica la massima ampiezza spettrale. "f" -
"C" = " "f" - "SW" /"10" (1)
La frequenza di taglio di un filtro LC è generalmente:
"f" _"C" "=" "1" /("2π∙" √("L" _"f" " ∙ " "C" _"f" )) (2)
Come esempio per il calcolo del filtro, viene selezionata un'induttanza di 10 µH e l'equazione (2) viene trasformata in:
"C" _"f" "=" "1" /(("2π ∙ 0.1 · " "f" _"sw" )^"2" "·" "L" _"f" ) (3)
Per quanto riguarda la disposizione dei componenti del filtro, come mostrato in Figura 3, il condensatore di filtro può essere posizionato sul lato della sorgente di tensione o sul lato di ingresso del modulo di alimentazione. Il fattore determinante per attenuare la corrente pulsata proveniente da una sorgente di tensione è l'induttanza dell'induttore di filtro.
Quando la risonanza del filtro è troppo alta, possono verificarsi oscillazioni in risposta alle variazioni della tensione di ingresso che deve essere regolata. Il criterio di stabilità applicato in questo caso è che l'impedenza di uscita del filtro di ingresso "Z" _"out,filter" su un ampio intervallo di frequenza deve essere inferiore all'impedenza di ingresso del modulo di potenza "Z" _"in,converter".
|"Z" _"out,filter" |"
Inoltre, la frequenza di taglio "f"_c" del filtro di ingresso deve essere ben al di sotto della frequenza di transizione "f"_co" del modulo di alimentazione.
"f" _"c,filtro" "≪ " "f" _"co,convertitore" (5)
La Figura 4 mostra come fare ciò, posizionando un ramo attenuatore in parallelo con l'ingresso del modulo di alimentazione.
L'attenuatore riduce il fattore di qualità del filtro di ingresso e, di conseguenza, la sua impedenza di uscita alla frequenza di risonanza. L'equazione (6) può essere utilizzata per calcolare la resistenza di attenuazione "R" _"d" per un filtro con qualità "Q" _"f" "=1":
"R" _"d" " = √("L" _"f" /"C" _"f" ) (6)
Un valore che si è consolidato nella pratica come indicatore della capacità del condensatore di attenuazione "C" _"d" è una misura da cinque a dieci volte la capacità del condensatore del filtro.
"(5 ∙ " "C" _"f" ")
In alternativa, il filtro può essere attenuato selezionando un condensatore elettrolitico da commutare in parallelo all'uscita del filtro anziché all'attenuatore. Come regola generale, il valore di ESR del condensatore elettrolitico è sufficiente per attenuare il filtro.
Selezione dei componenti del filtro LC:
condensatori e induttori presentano proprietà sia capacitive che induttive nelle applicazioni reali. Gli induttori di filtro hanno il loro massimo effetto di filtraggio alla loro frequenza di auto-risonanza (SRF). Negli induttori, la SRF dipende fortemente dall'induttanza e dall'accoppiamento capacitivo tra le spire dell'avvolgimento. Nei condensatori, la SRF dipende fortemente dalla capacità e dalla lunghezza dei loro terminali. Pertanto, nella selezione dei componenti del filtro, si raccomanda di assicurarsi che la SRF si trovi all'estremità superiore della gamma di frequenza in cui la tensione RFI è al suo massimo, o, viceversa, dove il filtro sarà attivo.
L'induttore di filtro è il fattore decisivo per la riduzione del rumore in modo differenziale, in quanto è il componente che contrasta il rapido aumento e la diminuzione della corrente nel circuito di ingresso. La Figura 5 mostra le curve di impedenza di tre induttori a nucleo cilindrico, basate su un esempio della famiglia di prodotti WE-SD di Würth Electronics.
Un'induttanza maggiore si traduce in una SRF inferiore. Si raccomanda di selezionare un induttore con un valore di induttanza inferiore alla capacità del condensatore di filtro. In pratica, si seleziona un'induttanza di filtro con un valore massimo di 10 µH, poiché, a seconda del progetto, tale induttanza ha una frequenza di auto-risonanza di circa 30 MHz.
Il superamento della corrente nominale dell'induttore di filtro può danneggiare l'avvolgimento. In base all'efficienza del controller di commutazione, la corrente di ingresso effettiva del modulo di alimentazione può essere calcolata utilizzando l'equazione (8).
"I"_"in" " = " ("V"_"out" " ∙ " "I"_"out" )/("V"_"in" " ∙ η" ) (8)
Per motivi di sicurezza, è necessario selezionare un valore superiore alla corrente nominale della bobina del filtro.
Il condensatore di filtro può essere un condensatore elettrolitico a liquido, un condensatore polimerico o anche un condensatore ceramico. L'unica condizione è che la qualità del filtro alla frequenza di taglio sia sufficientemente bassa (vedere la sezione 4).
Altre misure devono essere considerate quando si dimensiona un filtro Π. Idealmente, il filtro di ingresso dovrebbe essere posizionato il più vicino possibile all'ingresso del modulo di alimentazione. Se il filtro di ingresso si trova a una distanza maggiore, a causa di vincoli geometrici, le tracce possono agire come un'antenna tra il filtro di ingresso e il modulo di alimentazione alle alte frequenze. L'induttanza della traccia può anche essere utilizzata in combinazione con un condensatore ceramico per creare un filtro LC aggiuntivo con una frequenza di taglio più elevata (vedere Figura 6). Grazie alla sua ESR trascurabile, un condensatore ceramico può facilmente cortocircuitare le tensioni ad alta frequenza verso massa con bassa impedenza.
La SRF del condensatore dovrebbe essere approssimativamente all'interno dello spettro di frequenza di commutazione del modulo di alimentazione. Per illustrare questo punto, la Figura 7 mostra le curve di impedenza dei condensatori ceramici WCAP-CSGP di dimensioni 0805 di Würth Elektronik.
Tra i componenti mostrati in Figura 7, ad esempio, a una frequenza di clock di 2 MHz, sarebbe adatto un condensatore da 1 µF (frequenza di risonanza indicata in rosso). Anche un condensatore ceramico da 100 nF (frequenza di risonanza indicata in blu), utilizzato come condensatore di blocco in molti circuiti elettronici, sarebbe un candidato idoneo a questi valori. Va tuttavia notato che, rispetto alla versione da 1 µF, il condensatore da 100 nF ha una ESR nove volte superiore.
Dimensionamento di un filtro di uscita:
Alcuni moduli di alimentazione presenti sul mercato, come i moduli di alimentazione MagI³C di Würth Elektronik, presentano un ripple di uscita trascurabile, rendendo un filtro di uscita non strettamente necessario. Tuttavia, se i componenti forniti dal controller switching disaccoppiano i segnali di interferenza tramite interfacce (ad esempio, interruttori a sensore, circuiti di commutazione analogici), potrebbe essere necessario un filtro di uscita per filtrare la tensione di uscita.
Lo schema elettrico mostrato in Figura 6 illustra un filtro di uscita come opzione comparabile a quello mostrato qui in Figura 8. In generale, non è possibile formulare un'affermazione definitiva in merito alla necessità e all'efficacia di un tale filtro di uscita, poiché deve essere dimensionato individualmente per ogni applicazione. Un filtro di uscita può essere utilizzato per ridurre al minimo assoluto il ripple del modulo di alimentazione o, in alternativa, per ridurre le oscillazioni subarmoniche indesiderate. Il filtro può essere dimensionato come già descritto nella sezione 3. In questo caso, l'attenuazione della risonanza del filtro non è necessaria.
Misura della tensione di rumore:
La tensione di rumore viene misurata secondo lo standard di base IEC CISPR 16-2-1, che descrive i tipi di variabili di interferenza misurabili, le apparecchiature da utilizzare per le diverse interfacce e la configurazione di misura per dispositivi da banco e da pavimento. L'interferenza viene valutata in un intervallo di frequenza da 9 kHz a 30 MHz. L'apparecchiatura di misura comprende, oltre al ricevitore EMI, vari stabilizzatori di impedenza di linea (LISN), rilevatori di tensione, pinze amperometriche e accoppiatori capacitivi. In una configurazione di misura da banco, come mostrato in Figura 9, il dispositivo in prova (DUT) viene posizionato su un tavolo non conduttivo su un piano di massa di riferimento. Il tavolo deve essere alto 40 cm. Se è disponibile anche un piano di massa di riferimento verticale, l'altezza del tavolo deve essere di almeno 80 cm. Il LISN deve essere collegato al piano di massa per garantire una buona conduttività. Il DUT stesso e tutti i cavi collegati devono essere posizionati ad almeno 40 cm dal piano di massa.
La lunghezza del cavo tra il DUT e il LISN non deve superare gli 80 cm. Il ricevitore EMI valuta la tensione di rumore asimmetrica che è stata disaccoppiata al LISN per i diversi conduttori del cavo.
Misurazione del rumore irradiato
Il metodo per la misurazione del rumore irradiato al di sopra di 30 MHz è descritto nella norma di base IEC CISPR16-2-3. L'ambiente di misurazione è generalmente una camera anecoica con pavimento conduttivo o, su scala ridotta, una camera anecoica. Anche in questo caso, il dispositivo in prova (DUT) viene posizionato su un tavolo non conduttivo (per dispositivi portatili o da banco, vedere la Figura 10) o sul pavimento. Per consentire al DUT di ruotare sul proprio asse nella sua posizione predeterminata durante la misurazione, viene posizionato su una piattaforma girevole. Nelle camere anecoiche più grandi, l'antenna ricevente è posizionata a 10 m dal DUT e la sua altezza viene regolata durante la misurazione per trovare la massima intensità del campo elettrico a ciascuna delle frequenze misurate (picco spettrale). Anche l'orientamento dell'antenna viene variato (polarizzazione orizzontale e verticale). Nelle camere anecoiche più piccole, la distanza tra l'antenna e il DUT dovrebbe essere di 3 m. Poiché l'altezza dell'antenna deve essere corretta, la scansione dell'altezza viene omessa e il terreno tra l'antenna e il DUT deve essere coperto con un materiale assorbente.
Caso di studio – Misura della tensione di rumore
La sezione seguente descrive la misurazione della tensione di rumore utilizzando come esempio una scheda di valutazione del modulo di potenza Würth Elektronik MagI³C, dotata di un modulo regolatore step-down regolabile (171 020 601).
Già nella fase preliminare è possibile misurare la componente CA all'ingresso del modulo di alimentazione utilizzando un oscilloscopio. Eseguendo un'analisi nel dominio del tempo, è possibile stimare lo spettro di interferenza previsto fin dalle prime fasi della progettazione del filtro.
La Figura 11 mostra una componente CA di 80 mV, misurata con una tensione di ingresso del modulo di alimentazione di 7,5 V, una corrente di ingresso media di 1,2 A e una corrente di carico media di 2 A. I controller switching possono presentare una resistenza differenziale negativa dal punto di vista dell'alimentazione. La corrente di ingresso aumenta al diminuire della tensione di ingresso. Per questo motivo, la tensione di rumore viene misurata nelle condizioni "peggiori": tensione di ingresso minima, corrente massima.
Tuttavia, il fattore determinante nell'analisi di questo tipo di emissione di rumore rimane la misurazione della tensione di rumore, come quelle effettuate in un laboratorio EMC. La Figura 12 mostra il risultato di una misurazione della tensione di rumore senza filtro di ingresso.
Questo modulo di alimentazione opera a una frequenza di clock di 370 kHz. Nello spettro di interferenza, l'ampiezza massima (picco rosso: 68 dBµV) si misura a questa frequenza. La densità di ampiezza della tensione di rumore diminuisce a una velocità di circa 40 dB/decade, il che significa che non si osservano interferenze significative al di sopra della 15a armonica. Tuttavia, solo al di sopra della 9a armonica il livello di interferenza è inferiore di oltre 10 dB al limite del rivelatore standard (linea blu scuro).
L'equazione (3) della sezione 3 può ora essere utilizzata per calcolare un filtro di ingresso LC adatto. A causa della frequenza di commutazione relativamente bassa, viene selezionato un induttore con un basso SRF e un'induttanza di 4,7 µH e viene calcolata la capacità del filtro.
"C" _"f" " = " "1" /(〖"(2π ∙ 0,1 ∙ 370 kHz)" 〗^"2" "∙ 4,7 µH" ) " = 3,9 µF" (9)
Il condensatore di filtro selezionato sarà quello con una capacità leggermente superiore a 10 µF. La corrente di ingresso massima viene calcolata utilizzando l'equazione (8) della sezione 3.
Questo calcolo richiede l'efficienza della scheda di valutazione, che viene determinata mediante misurazione e in questo caso ha un valore del 91%.
"I" _"in " "= " "5 V ∙ 2 A" /"6 V ∙ 0,91" " = 1,83 A"
Sulla base dei calcoli dell'induttanza del filtro e della corrente di ingresso, è ora possibile selezionare un induttore appropriato. A tale scopo, è stato selezionato un induttore non schermato della serie PD2 di Würth Elektronik, dimensione 5820. La Figura 13 mostra il risultato di una misurazione della tensione di rumore con il filtro precedentemente determinato.
Il livello di interferenza misurato alla frequenza di commutazione di 370 kHz è di 30 dBµV. I livelli di tutte le armoniche sono inferiori a 20 dBµV e sono quindi sufficientemente attenuati. Il livello medio a 370 kHz corrisponde al livello massimo ed è inferiore di 18 dB rispetto al limite medio di 47 dBµV. Nelle misurazioni pratiche di interferenza condotta, un rapporto segnale/rumore di questa entità è perfettamente sufficiente a confermare l'accuratezza di questa misurazione.
Lo scopo della misurazione della tensione di rumore è dimostrare l'utilità dell'analisi dei potenziali di interferenza nel dominio del tempo; tuttavia, un'analisi nel dominio della frequenza rimane essenziale.
Infine, le equazioni della Sezione 3 possono essere utilizzate per calcolare una resistenza di attenuazione.
"R" _"d" " = " √("4,7 µH" /"10 µF" ) " = 0,686 Ω"
Maggiore è il valore della resistenza di attenuazione, maggiore è l'attenuazione della risonanza del filtro. In questo caso, si può scegliere la resistenza di valore immediatamente superiore della serie E12, pari a 1 Ω.
Per il condensatore di attenuazione si sceglie un valore di 47 µF. Ad esempio, si potrebbe utilizzare un condensatore ceramico eiCap della serie WCAP CSGP di Würth Elektronik.
Misurazione secondo IEC CISPR 22.
Le misurazioni di cui sopra sono state eseguite secondo la norma IEC CISPR 16-2-1, come descritto nella sezione 8. L'utilizzo di un LISN ha consentito il disaccoppiamento asimmetrico della tensione e l'adattamento alla tensione asimmetrica (modo comune), che è stato successivamente confrontato con il limite ottenuto dalla norma IEC CISPR per dispositivi per uso privato e commerciale (classe B). Per i componenti degli alimentatori, e questo include tutti i tipi di controllori switching, non esiste una norma EMC direttamente applicabile. L'intera applicazione in cui viene utilizzato il controllore switching deve essere assegnata a una specifica categoria di dispositivo e quindi testata secondo le norme corrispondenti applicabili al prodotto o alla famiglia di prodotti. In questo caso, la norma IEC CISPR 22 per installazioni IT è stata utilizzata solo come riferimento per i limiti, che sono specificati anche nella norma generale IEC 61000-6-3. Le norme generiche possono essere utilizzate nei casi in cui non esista una norma specifica per il dispositivo in questione.
Abstract:
Indipendentemente dalle dimensioni della componente CA coinvolta, un filtro di ingresso rimane un fattore indispensabile per una valida validazione EMC di successo di un controllore di commutazione. È possibile utilizzare equazioni di facile applicazione per calcolare individualmente tale filtro di ingresso. Considerare le impedenze sia del filtro che del controllore di commutazione nelle equazioni previene le oscillazioni e garantisce anche la stabilità del controllore stesso. La selezione specifica dei componenti del filtro pone le basi per una progettazione ottimale del filtro. Con un adeguato livello di competenza tecnica nei metodi di test EMC, gli sviluppatori hardware possono progettare i loro interruttori per scopi specifici e, se necessario, apportare ogni tipo di modifica al filtro stesso.
Autori: Ranjith Bramanpalli e Steffen Schulze
