Una introducción a la medición de EMI y EMC de fuentes de alimentación - Parte 1: EMI conducida.

Los dispositivos electrónicos están involucrados en casi todos los aspectos de la vida, y la proliferación de estos dispositivos lleva a la pregunta de cuánto interfieren entre sí. La compatibilidad electromagnética (EMC) y la interferencia electromagnética (EMI) son métricas que utilizamos para determinar qué tan bien funcionan juntos los dispositivos y sistemas electrónicos.

Las mediciones de EMI cuantifican qué tan bien un dispositivo limita la interferencia con otros dispositivos o sistemas. Lo contrario de esto son las mediciones de EMC, que cuantifican cómo los sistemas externos afectan el funcionamiento de un dispositivo electrónico que se está probando.

Hay una gran cantidad de estándares nacionales e internacionales que se han establecido para minimizar la interferencia y asegurar la compatibilidad de todos los dispositivos y sistemas electrónicos. Estas organizaciones de estándares incluyen el Comité International Spécial des Perturbations Radio (CISPR), la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC), la Organización Internacional de Normalización (ISO), la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE), la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) y muchas otras.

La prueba de aceptación de la electrónica es un rito de iniciación para todos los fabricantes, y los diseñadores deben conocer los tipos de prueba y los límites de especificación antes de comenzar cualquier diseño. Del mismo modo, los ingenieros y técnicos de desarrollo deben poder realizar pruebas previas al cumplimiento para minimizar los retrasos inesperados en la aceptación e introducción del producto.

El diseño de la fuente de alimentación desde el punto de vista de la EMI ofrece muchos desafíos para el ingeniero de diseño. La interferencia puede propagarse desde el suministro a través de la radiación a través del aire (interferencia radiada) o conducirse a través del cableado del dispositivo (interferencia conducida). Los estándares de prueba tienen medidas para ambos tipos de interferencia. El resto de esta publicación se tratará de la EMI conducida.

Pruebas de la EMI conducida.

La interferencia conducida de una fuente de alimentación surge del flujo de corriente discontinuo dentro de un dispositivo de alimentación de modo conmutado. La interferencia conducida se divide en dos componentes: señales de modo común y diferenciales (Figura 1). Tenga en cuenta que las señales de modo común viajan en la misma dirección en las líneas entre la fuente de alimentación y el dispositivo bajo prueba (DUT), una fuente de alimentación, en este caso. La línea de tierra proporciona la ruta de retorno necesaria. Las señales diferenciales viajan en direcciones opuestas.

Figura 1: La EMI conducida se compone de componentes de modo común y diferenciales según la dirección del flujo de la señal entre el DUT y la fuente de alimentación. (Fuente de la imagen: Art Pini)

La prueba de emisiones conducidas requiere el uso de una red de estabilización de impedancia de línea (LISN) instalada entre la fuente de alimentación y el DUT (Figura 2).

Figura 2: Un ejemplo de una LISN colocada entre la fuente de alimentación (línea, L y neutro, N) y la fuente de alimentación que se está probando. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La LISN es básicamente un filtro de paso bajo insertado en serie con la fuente de alimentación. Su propósito es asegurar una impedancia de fuente estable y conocida en el rango de frecuencia que se está probando. También proporciona aislamiento entre la fuente de alimentación y el DUT y el equipo de medición de la fuente de alimentación de entrada. Tenga en cuenta que también proporciona una conexión para los instrumentos de medición, normalmente un analizador de espectro o un receptor de EMI, a niveles de amplitud seguros.

La placa de administración de energía del analizador de espectro DC2130A de Analog Devices es una LISN dual. Una sección de la placa de evaluación proporciona 10 decibeles (dB) de atenuación en un rango de frecuencia de hasta 800 megahercios (MHz) para el puerto de medición. La otra sección proporciona 30 dB de ganancia para amplificar pequeñas señales de EMI en un rango de frecuencia de 10 MHz a 2.5 gigahercios (GHz). Cada sección se puede utilizar de forma independiente o se pueden combinar (Figura 3).

Figura 3: La configuración del DC2130A utilizando las LISN de -10 dB y +30 dB para el aislamiento de modo común. La fuente de alimentación/batería proporciona energía para el amplificador de +30 dB. (Fuente de la imagen: Analog Devices)

La mitigación de la EMI conducida en un diseño existente generalmente implica agregar un filtro EMI entre la fuente de alimentación y la entrada de alimentación al DUT. Los últimos diseños de convertidores de CC-CC han incluido filtros EMI activos integrados, que proporcionan una reducción superior de EMI en un área física más pequeña que los filtros de componentes discretos.

Un ejemplo de uno de estos filtros activos se incorpora a la placa de evaluación LM25149-Q1EVM-2100 de Texas Instruments (Figura 4). Esta placa utiliza el convertidor reductor síncrono LM25149-QI con un filtro EMI activo. El convertidor también cuenta con modulación de espectro ensanchado, cuya frecuencia modula el reloj de conmutación para distribuir cualquier EMI en un rango de frecuencias, reduciendo así las amplitudes máximas.

Figura 4: La placa de evaluación LM25149-Q1EVM-2100 utiliza un filtro EMI activo, así como una modulación de espectro ensanchado. Esta última distribuye la EMI en un rango de frecuencias para reducir las amplitudes máximas. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Para esta placa de evaluación, la efectividad de estas técnicas se puede ver en una prueba de emisiones conducidas CISPR 25 Clase 5 en la que se compara la EMI conducida sin la función de mitigación activada con el funcionamiento con el filtro EMI activo y la conmutación de espectro ensanchado (Figura 5). Las pruebas utilizan diagramas de espectro de amplitud de EMI en dB versus frecuencia.

Figura 5: Diagramas de emisiones conducidas CISPR 25 Clase 5 que comparan los niveles de EMI entre operaciones sin mitigación de EMI (a) con niveles de EMI con el filtro EMI activo y el espectro ensanchado habilitado (b). (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Las líneas horizontales rojas marcan los niveles de prueba pico y promedio para EMI conducida para la certificación CISPR 25 Clase 5. El espectro de pico medido, que se muestra en amarillo, sin mitigación, es aproximadamente igual al límite de prueba de pico a la frecuencia de conmutación de 2.1 MHz, superando el límite de prueba promedio. Con filtrado EMI y conmutación de espectro ensanchado, ambos picos están muy por debajo de los límites de prueba.

Conclusión

La ubicuidad de los dispositivos electrónicos hace que las pruebas y la mitigación de la EMI y la EMC sean cada vez más importantes, pero es un arte complejo. Sin embargo, hay algunos principios básicos. Como se muestra, la prueba de EMI conducida requiere una fuente de alimentación, LISN y un analizador de espectro o receptor de EMI. La Parte 2 de esta serie debatirá las pruebas de EMI radiadas.