Una introducción a la medición de EMI y EMC de fuentes de alimentación, parte 2: EMI radiada

La parte 1 de esta serie de blogs trató principalmente sobre la medición de la interferencia electromagnética (EMI) conducida. Aquí, la parte 2 analiza la medición de la EMI radiada.

La EMI radiada es energía electromagnética no deseada que se transmite al espacio libre, como ondas electromagnéticas transversales o mediante acoplamiento capacitivo o inductivo. Los conductores de la placa de circuito que transportan señales que varían en el tiempo irradian energía electromagnética al espacio. Cada rastro de placa de circuito es verdaderamente una antena capaz de transmitir o recibir señales. Las fuentes de alimentación de modo conmutado con grandes voltajes y corrientes de conmutación, si no se diseñan correctamente, son propensas a crear EMI (Figura 1).

Figura 1: Las señales encontradas en una fuente de alimentación de modo conmutado incluyen formas de onda de voltaje y corriente de banda ancha con altas tasas de cambio, así como señales de banda estrecha como las asociadas con la frecuencia de conmutación y señales oscilatorias como el timbre. (Fuente de la imagen: Art Pini)

La prueba de EMI radiada requiere medir la intensidad del campo electromagnético de las señales EMI generadas por el dispositivo bajo prueba (DUT) que son inherentes a los voltajes y corrientes de conmutación de alta velocidad de respuesta.

La prueba de cumplimiento de EMI radiada se realiza en una cámara anecoica blindada que aísla las señales del DUT (Figura 2). La antena de detección se mantiene a una distancia específica, generalmente un metro, del dispositivo bajo prueba. Comúnmente se emplean antenas bicónicas y logarítmicas periódicas.

Figura 2: La prueba de cumplimiento de EMI radiada se lleva a cabo en una cámara anecoica blindada donde el DUT está aislado de la radiación de RF externa. (Fuente de la imagen: Art Pini)

El DUT está ubicado en una mesa sobre un plano de tierra. Estas emisiones particulares tienden a ser direccionales, por lo que el dispositivo bajo prueba está en una plataforma giratoria para proporcionar una antena de detección con un buen aspecto de línea de visión. La antena también es móvil y tiene una altura ajustable. Durante la prueba, se anota la orientación que produce la respuesta medida más alta y se utiliza como base para la prueba de conformidad. El cableado al dispositivo bajo prueba es parte de la prueba y está encerrado en un mazo de cables.

El laboratorio de pruebas escaneará la banda de frecuencia de interés utilizando un analizador de espectro o un receptor de EMI y buscará emisiones que estén cerca de los límites de prueba. Hace esto para todas las orientaciones DUT y polarizaciones de antena. El laboratorio de pruebas se centra en cada una de estas emisiones y cuantifica la amplitud de la intensidad del campo.

En la Figura 3 se muestran los resultados de una prueba típica de emisiones de radiación en un convertidor reductor automotriz de 10 amperios (A) de Texas Instruments con modelo LM61495Q3RPHRQ1 .

Figura 3: Se muestra la prueba típica de emisiones radiadas según CISPR 25 Clase 5 para el convertidor reductor de 10 A LM61495Q3RPHRQ1. Se trazan los límites de prueba para la respuesta pico, cuasi pico y promedio del detector. Se muestran los datos adquiridos para las respuestas de medición pico (azul) y promedio (violeta). (Fuente de imagen: Texas Instruments)

La especificación tiene límites de prueba para las respuestas del detector pico, cuasi pico y promedio. La respuesta cuasi pico es una respuesta procesada que pondera los picos de amplitud por la frecuencia de ocurrencia. Se representan gráficamente las respuestas medidas pico y promedio. Cada uno debe tener amplitudes por debajo del límite de prueba apropiado para estar en cumplimiento.

Dado que las pruebas de cumplimiento son un proceso costoso y que requiere mucho tiempo, la mayoría de los diseñadores realizan pruebas de cumplimiento previo fuera de la sala protegida mediante mediciones de campo cercano. Las mediciones de campo cercano se realizan dentro de un pie (30.5 centímetros (cm)) del dispositivo bajo prueba utilizando sondas de campo cercano, como el kit de Teledyne LeCroy modelo T3NFP3 . Las sondas de campo cercano detectan campos eléctricos o magnéticos (Figura 4). Además, las sondas de campo cercano, a diferencia de la mayoría de las sondas, no están calibradas y se utilizan para mediciones relativas y para localizar fuentes de emisión.

Figura 4: El kit de sonda de campo cercano T3NFP3 de Teledyne LeCroy contiene tres sondas magnéticas y una sonda de campo eléctrico. (Fuente de la imagen: Teledyne LeCroy)

El kit de sonda de campo cercano T3NFP3 consta de tres sondas magnéticas y una sonda de campo eléctrico. Estas sondas actúan como antenas de banda ancha que detectan emisiones radiadas en el rango de 300 kilohercios (kHz) a 3 gigahercios (Ghz). Las sondas magnéticas utilizan una estructura de bucle y están disponibles en diámetros de 20, 10 y 5 milímetros (mm). Los bucles más grandes tienen mayor sensibilidad y son ideales para descubrir señales radiadas. Los bucles más pequeños son menos sensibles pero tienen una mayor precisión geométrica para ayudar a encontrar la fuente de la radiación. La sensibilidad de la sonda es máxima si el campo magnético forma un ángulo recto con el plano del bucle. Esta sensibilidad angular se utiliza para determinar la dirección a la fuente.

La sonda de campo eléctrico es una antena monopolo, y es importante orientar esta sonda perpendicular al plano de la medición. La sonda de campo eléctrico ayuda a identificar fuentes de alto voltaje, así como fuentes no terminadas.

El producto B&K Precision con modelo PR262 es similar al T3NFP3 pero agrega un preamplificador de 40 dB para detectar señales de muy bajo nivel (Figura 5). Cubre un rango de frecuencia de 9 kHz a 3.2 GHz.

Figura 5: El juego PR262 es similar al T3NFP3, pero agrega un preamplificador de 40 dB para detectar señales de muy bajo nivel. (Fuente de imagen: B&K Precision)

La salida de la sonda de campo cercano está conectada a la entrada de 50 ohmios del instrumento de medición. El cabezal de la sonda, que está aislado, se pasa sobre la placa de PC mientras se monitorea la respuesta para la indicación de una fuente radiada. Se utilizan sondas de campo magnético y eléctrico para verificar la fuente de la señal EMI radiada.

Conclusión

Dado que cada rastro en una placa de circuito es verdaderamente una antena que irradia EMI, es fundamental realizar pruebas de cumplimiento previo utilizando sondas de campo cercano como T3NFP3 y PR262. Estos pueden ayudar a detectar y aislar rápidamente la fuente de EMI para que pueda mitigarse antes de proceder a pruebas de cumplimiento formales y costosas.