Estes filtros são concebidos à medida com base na assinatura eletromagnética do equipamento de conversão de energia. No entanto, certas restrições de design elétricas (por exemplo, picos de tensão, ondulação), mecânicas (por exemplo, vibração, choque) e ambientais (por exemplo, altitude elevada) devem ser consideradas para satisfazer as necessidades de equipamento militar. Este artigo discute as considerações de projeto para filtros de entrada e os requisitos de teste para módulos de alimentação CC para equipamentos militares.
O que é um filtro de entrada?
O design deste filtro de entrada é crucial para cumprir os padrões e objetivos de compatibilidade eletromagnética (EMC). Os filtros de entrada, ou filtros front-end, são utilizados para diversos fins:
• Suprimir o ruído e os surtos que podem entrar na primeira fase da fonte de alimentação, e
• Reduzir o ruído emitido tanto na frequência (i.e., a frequência de comutação) como nos seus harmónicos.
As fontes de alimentação comutada são cada vez mais utilizadas em electrónica e possuem um amplo conteúdo espectral que pode ser conduzido para outras partes do circuito por contacto físico e interferir com circuitos sensíveis próximos. O ruído torna-se um problema cada vez mais significativo com velocidades de comutação mais elevadas, especialmente quando os transístores que ligam e desligam rapidamente podem causar interrupções no fluxo de corrente (resultando em picos de tensão e ruído de alta frequência). Estas interrupções no fluxo de corrente podem ocorrer na entrada dos conversores buck, na saída dos conversores boost e tanto na entrada como na saída dos conversores flyback e buck-boost.
Fontes de Ruído em Diversos Reguladores de Tensão:
A entrada do conversor CC/CC buck caracteriza-se pela rápida comutação dos seus dispositivos de comutação, resultando em correntes descontínuas com subidas e descidas abruptas (elevada taxa de variação da corrente - di/dt) nos condensadores de entrada. Isto provoca não conformidades na frequência e em diversos harmónicos (frequentemente harmónicos de baixa ordem). Um conversor boost a funcionar em modo de condução contínua (CCM) apresenta interferências eletromagnéticas (EMI) na saída devido à necessidade de díodos de recuperação rápida inversa, que, embora reduzam significativamente as perdas de potência, apresentam uma variação de corrente (di/dt) muito mais acentuada, aumentando a EMI. Em modo de condução descontínua (DCM), a ondulação da corrente primária é maior. Esta ondulação cria um sinal variável que é conduzido para outras partes do sistema através de condutores que partilham um contacto comum.
EMI: Emissões Radiadas e Conduzidas.
As emissões conduzidas estão geralmente associadas a frequências inferiores a 30 MHz, enquanto as emissões irradiadas correspondem normalmente a frequências superiores a 30 MHz (frequentemente de 50 a 300 MHz). No entanto, existe ainda alguma sobreposição entre as emissões conduzidas e irradiadas. Numa fonte de alimentação comutada, os picos de tensão (dV/dt elevado) são frequentemente fontes de emissões irradiadas. Como referido anteriormente, a EMI conduzida tem geralmente origem em corrente descontínua (di/dt elevado) e pode ser dividida em ruído de modo comum (CM) e ruído de modo diferencial (DM).
Ruído de Modo Diferencial e Comum
As correntes DM são tipicamente dominadas por di/dt e fluem entre a linha de alimentação e o caminho de retorno; o ruído DM domina as frequências mais baixas. Geralmente é difícil alterar o comportamento de di/dt sem alterar fundamentalmente o circuito. A redução de di/dt é normalmente conseguida utilizando um filtro EMI passa-baixo passivo (por exemplo, circuito snubber RC, circuito snubber LC, secção Pi, secção T, etc.) para amortecer as oscilações causadas por correntes descontínuas.
As correntes de modo comum (CM) são geralmente uma função de dV/dt e fluem entre cada uma das linhas de alimentação e a massa. Quando as correntes de modo comum se acoplam em condutores ou cabos longos, a cablagem pode atuar como uma antena, tornando o ruído de modo comum mais dominante a altas frequências. Dependendo do comprimento do cabo e da distância entre os condutores e o plano de terra de referência, a área do loop para caminhos de retorno indesejados pode ser considerável. O ruído de modo comum pode ser significativamente suprimido com um design eficaz, como aproximar os condutores do plano de terra de referência, instalar cuidadosamente condensadores de segurança, blindar os chicotes de cabos ligados ou colocar uma reatância de modo comum no caminho das correntes de modo comum. Uma reatância de modo comum (CM) também fornece um caminho em série de alta impedância que permite que as correntes de modo comum fluam para fora do conversor, com condensadores Y a formar um caminho de derivação EMI para a massa.
Tanto o modo diferencial (DM) como o modo comum contribuem para a EMI, e os componentes de ruído de DM e CM geralmente precisam de ser quantificados antes de projetar o filtro EMI para cumprir as normas de compatibilidade eletromagnética (EMC) da indústria. A EMI de entrada é normalmente quantificada utilizando uma rede de estabilização de impedância de linha (LISN) na entrada do dispositivo em teste (DUT), bem como um analisador de espectro.
Considerações sobre o design de filtros de entrada:
Em geral, a filtragem EMI passiva é a abordagem mais comum para a mitigação de ruído; no entanto, pode ser desafiante quando os filtros são terminados com as diferentes fontes de ruído numa fonte de alimentação comutada (SMPS) e as diferentes impedâncias de carga. Tipicamente, estes filtros consistem em vários arranjos de resistências, condensadores e indutores. A magnitude da componente fundamental e do primeiro par de harmónicos são os maiores e contribuem mais para o ruído total, enquanto a magnitude dos harmónicos de ordem superior diminui à medida que a frequência aumenta. A capacidade do filtro de atenuar estas componentes de ruído também aumenta com a frequência, pelo que mitigar o ruído na frequência fundamental e nos harmónicos de ordem inferior é um desafio de design significativo.
Tipicamente, os filtros passivos de grande dimensão atenuam as emissões de baixa frequência; no entanto, as emissões de alta frequência podem exigir considerações de projeto adicionais devido à sua natureza parasita (por exemplo, a resistência e indutância em série equivalentes (ESR/ESL) de um condensador e a capacitância em paralelo de um indutor). Outras técnicas de filtragem EMI envolvem frequentemente componentes ativos: uma dessas técnicas é a utilização de espectro espalhado, ou dithering, para modular a frequência de comutação da fonte de alimentação e reduzir os picos encontrados no domínio da frequência e dos harmónicos de baixa ordem. Em última análise, a técnica empregue depende da assinatura de ruído específica da fonte de alimentação comutada (SMPS), bem como do custo, tamanho e restrições regulamentares do projeto.
Além de cumprirem as normas de compatibilidade eletromagnética (EMC), os filtros EMI também podem atenuar os transitórios de alta corrente refletidos da carga para a entrada de energia da SMPS. As características transitórias esperadas de cada SMPS variam e, portanto, é geralmente necessário um design personalizado para suprimir adequadamente os surtos. Esta é certamente uma consideração adicional de projeto para a eletrónica de potência MIL-SPEC. Os equipamentos militares devem cumprir uma série de requisitos de design elétricos, mecânicos e ambientais que obrigam os fabricantes a projetar cuidadosamente a eletrónica de potência desde o início: os materiais devem ser verificados e os requisitos de desempenho elétrico, mecânico e ambiental devem ser cumpridos.
Uma análise das normas militares comuns para fontes de alimentação:
a MIL-STD-461 estabelece os limites para as emissões conduzidas e irradiadas de equipamentos elétricos, com orientações para a medição precisa de EMI (Interferência Eletromagnética). Se a fonte de alimentação comutada (SMPS) exceder estes limites — e isto acontece com frequência —, será necessário um filtro EMI para que volte a estar em conformidade. No entanto, a escolha de qualquer filtro EMI disponível comercialmente não fará com que a fonte de alimentação cumpra subitamente os requisitos da norma; o equipamento pode ser tão ruidoso que a adição de qualquer filtro EMI na entrada fará com que o componente continue a apresentar falhas. Os vários requisitos da MIL-STD-461 e as suas descrições podem ser encontrados na Tabela 1. Os equipamentos eletrónicos que cumprem a norma MIL-STD-461 geralmente listam os requisitos específicos de CE (Elementos de Controlo), CS (Certificação de Segurança) e RE (Elementos de Referência) que cumprem.
A interferência eletromagnética (EMI) não é a única consideração importante quando se trata do desempenho, fiabilidade e segurança dos componentes eletrónicos. As fontes de alimentação devem também ser capazes de operar sob diversas condições de tensão, incluindo inversão de polaridade, picos de tensão e sobretensões. A norma MIL-STD-1275E estabelece as condições de ensaio a aplicar à entrada de um sistema de alimentação de 28 V, bem como os parâmetros de desempenho esperados para tais equipamentos. Espera-se que estes sistemas sejam encontrados em veículos terrestres militares, veículos todo-o-terreno civis e equipamento militar e civil pesado.
Outras normas militares, como a MIL-STD-704F para características energéticas de aeronaves e a DO-160G para equipamento embarcado, especificam as condições ambientais e os procedimentos de ensaio para simular adequadamente diversas condições de tensão. A norma MIL-STD-810 inclui condições e requisitos de ensaio para equipamentos que vão ser sujeitos a choques mecânicos, vibrações e grandes altitudes. Esta também pode ser uma consideração necessária para garantir a longevidade e a fiabilidade da fonte de alimentação em ambientes hostis. As fontes de alimentação que operam em veículos militares e sistemas embebidos terão provavelmente de cumprir as normas MIL-STD-1275E/MIL-STD-704F, MIL-STD-461 e alguns aspetos da MIL-STD-810 para serem consideradas adequadas para utilização. A P-DUKE, distribuída em Espanha e Portugal pela Electrónica OLFER, disponibiliza uma gama de filtros front-end MCF com especificações militares que podem ser combinados com conversores CC/CC seleccionados para satisfazer todas estas especificações.
Série MCF da P-DUKE:
A série MCF oferece filtragem EMI e proteção contra transientes para cumprir os requisitos de emissões conduzidas, suscetibilidade conduzida e emissões irradiadas do MIL-STD-461G, os requisitos de surto/pico de diversas normas militares e os requisitos de altitude/choque/vibração do MIL-STD-810 (Tabela 2).
A série oferece proteção ativa contra picos de entrada que bloqueia picos até 100 V durante uma duração máxima de 50 ms, reduzindo-os para um nível seguro de 40 V, e absorve picos de +/- 25 V com circuitos de proteção internos (Figura 1).
Como mostra a Figura 2, a série inclui outras características de proteção ativa, como o controlo remoto de ligar/desligar, proteção contra sobrecarga, proteção contra curto-circuito na saída, proteção contra inversão de polaridade, limitação de corrente de pico e muito mais.
A Figura 3 ilustra uma melhoria significativa da EMI, dado que o desempenho da EMI do conversor CC/CC HAE200 de 200 W foi testado antes e depois da aplicação do filtro MCF. Isto reduz consideravelmente o custo e o esforço de design associados a um filtro EMI personalizado e a circuitos periféricos. Com uma potência nominal até 250 W, os filtros front-end MCF podem ser utilizados numa vasta gama de equipamentos militares.
Figura 3: Conversor CC/CC HAE200 combinado com filtro MCF para cumprir os requisitos de EMI da norma MIL-STD 461G.
Os filtros MCF permitem uma integração perfeita em sistemas militares.
Os filtros EMI não podem ser simplesmente selecionados arbitrariamente para tornar uma fonte de alimentação compatível, e o processo de design destes filtros pode ser bastante complexo, com um elevado custo de engenharia não recorrente (NRE).
Isto é especialmente verdade para os equipamentos de uso militar, onde os subsistemas embarcados em veículos e aeronaves militares, alimentados por baterias de 24 V ou geradores de 28 V, possuem requisitos rigorosos em múltiplas dimensões, tornando os equipamentos COTS e as soluções personalizadas impraticáveis. A P-DUKE e a OLFER Electronics oferecem conversores CC-CC de 15 a 250 W que, quando combinados com os filtros front-end MCF correspondentes, cumprem os requisitos militares de compatibilidade eletromagnética e supressão de picos.
Autor: Departamento Técnico da P-DUKE POWER.
Departamento de Marketing da OLFER Electronics
