Simulación de filtro EMI para la supresión de ruido con AD20 y Altium 365

Zachariah Peterson
|  Created: October 23, 2020  |  Updated: February 1, 2021
Si diseñas equipos como estas fuentes de alimentación y osciloscopios, necesitas efectuar una simulación de filtro EMI y compartir tus datos con tu equipo.

El diseño y la evaluación de tus nuevos productos conlleva múltiples ejecuciones de simulación, especialmente si es preciso diseñar una estrategia de regulación de la energía extremadamente estable. En el caso de las fuentes de alimentación, un paso esencial de evaluación es la simulación del filtro EMI, lo cual puede implicar la simulación de ruido aleatorio gaussiano directamente en el dominio de la frecuencia, o bien, el análisis de la respuesta en frecuencia de un circuito para identificar en qué punto puede el ruido conducido/radiado producir una fuerte respuesta en el circuito.

En una simulación real del filtro EMI para fuentes de alimentación, se debe examinar la forma en que los parasitarios y el acoplamiento entre los componentes reactivos producen una compleja función de transferencia con varias resonancias. Dado que pretendemos asegurarnos de que el filtro EMI únicamente pase el voltaje de línea de 60 Hz AC y DC, necesitaremos examinar cómo se debe modificar un filtro EMI real para producir un comportamiento de paso bajo.

Los diseños para estos sistemas pueden volverse bastante complejos y a menudo requieren que varios colaboradores trabajen juntos en el proyecto. Siempre que necesites compartir tu proyecto con otros colaboradores, puedes usar las funciones de compartir y gestionar contenidos de Altium 365®, que te permiten compartir datos con tu equipo de forma segura. Puedes compartir fácilmente tus esquemáticos, datos de simulación, modelos de componentes, y cualquier otro dato necesario en tu proyecto una vez que hayas calificado tu diseño en Altium Designer. A continuación puedes ver como será tu flujo de trabajo de simulación cuando utilices Altium Designer con la plataforma Altium 365.

Simulaciones del filtro EMI a partir de tus esquemáticos

Crear un filtro de simulación EMI es simple cuando se utiliza un editor esquemático con un simulador integrado basado en SPICE. El entorno unificado de Altium Designer te permite generar inmediatamente resultados de simulación analógica en el dominio del tiempo o de la frecuencia. Si todavía te encuentras en la fase de calificación del diseño, sólo tienes que crear tu esquemático con la Biblioteca de Dispositivos Varios (Miscellaneous Devices Library), a la que se puede acceder desde el panel Components. También puedes crear modelos de simulación personalizados e importarlos como componentes personalizados para usarlos en una simulación de filtro EMI.

A continuación puedes ver un esquemático que he creado para una simulación de filtro EMI. Después de la fuente de alimentación hay un filtro de entrada, que se conecta a una perla de ferrita (L1) entre un condensador (C1) y un circuito RC (C2). Se incluyen dos condensadores de salida (C3 y C4) para el filtrado adicional de CA. He incluido algunos valores típicos de ESL en los condensadores C1-C4, así como la capacitancia parásita y la resistencia en paralelo para el modelo de perla de ferrita. Nótese que se han ignorado los valores de ESR para los condensadores, puesto que se encuentran típicamente en el rango de milioOhm, por lo que no tendrán ningún efecto en esta simulación.

EMI filter simulation schematic
Esquemático para simulación de filtro EMI.

La salida del filtro EMI está conectada a una carga de 1 MOhm. En esta ocasión, examinaremos cómo se verá afectada una señal de 60 Hz de CA de la cuadrícula y cualquier ruido de alta frecuencia superpuesto (ya sea radiado, ondulado o conducido) por este filtro EMI. Podemos hacerlo de dos maneras:

  1. Generando un ruido aleatorio en el dominio del tiempo y realizando un análisis transitorio para examinar cómo se propaga este ruido hacia la salida. 
  2. Examinando la respuesta del circuito en el dominio de la frecuencia y utilizando la función de transferencia del filtro EMI para identificar las resonancias debidas a los parasitarios acoplados del circuito.

En este caso, tomaré el último enfoque, ya que el circuito que se muestra arriba es puramente lineal, por lo que las funciones de transferencia están bien definidas para cualquier señal de CA.

Paso 1: Identificación de resonancias

La siguiente imagen muestra los resultados de un barrido de frecuencia inicial de DC a 1 MHz. He establecido el límite inferior del eje X a 1 kHz para mayor claridad. Esta simulación aproximada muestra la señal de salida vista con una onda sinusoidal de CA de entrada de 50 mV, que se ha utilizado para identificar cualquier resonancia en este filtro EMI. Puesto que queremos filtrar el ruido de banda ancha, como el que podría ser generado por un regulador de conmutación de bajada o un rectificador de subida, debemos identificar cualquiera de estas resonancias y amortiguarlas tanto como sea posible.

EMI filter simulation: initial frequency sweep results.
Simulación del filtro EMI: resultados del barrido de frecuencia inicial.

En los resultados anteriores, he identificado los componentes responsables de producir estas grandes resonancias. Estas resonancias nos indican qué componentes de ruido (frecuencias específicas) pueden generar un pico de voltaje considerable en la salida. La resonancia a ~22 kHz es bastante notable y tiene una ganancia de ~10. En otras palabras, el ruido de banda estrecha que se superpone con esta resonancia particular de tan sólo 1 uV puede producir un pico de 50 mV en la salida cuando se mide en el mismo ancho de banda. Esto seriá suficiente para superar la ondulación permitida en la salida. Además, cualquier ruido de conmutación o cualquier armónico de orden superior generado por el rectificador podría provocar esta resonancia, que produciría un fuerte ruido en una medición EMI con una sonda de campo cercano.

La resonancia C1 es lo suficientemente grande como para poder ser amortiguada añadiendo una red de derivación RC en paralelo con C1 (antes de L1), o añadiéndole alguna resistencia en serie con C1. La resonancia L1 y la resonancia C3 + C4 se pueden amortiguar de la misma manera: basta con agregar una resistencia en serie con estas dos redes.

Paso 2: Amortiguamiento de la resonancia C1

La resonancia C1 del gráfico anterior se puede amortiguar añadiendo una pequeña resistencia en serie. A continuación se muestran los resultados del barrido de frecuencia para el caso con una resistencia en serie de 1 kOhm en la parte C1 del filtro. Podemos ver claramente que esta resistencia en serie adicional amortigua la resonancia C1 hasta el punto de que ya no es visible en la función de transferencia del filtro. Sin embargo, ahora hemos creado un nuevo problema en que la resonancia de ~550 kHz tiene una enorme ganancia de ~10. Esto ocurre debido al acoplamiento entre los componentes reactivos y su parásito, que es un comportamiento típico en circuitos no triviales con múltiples componentes reactivos. En este artículo se puede ver un buen ejemplo de ello.

Adding damping in an EMI filter simulation
Resultados de la simulación del filtro EMI para amortiguar la resonancia C1.

Paso 3: Amortiguamiento de las resonancias de 20 kHz y 550 kHz

Para amortiguar las resonancias restantes, vamos a intentar añadir una resistencia en serie entre L1 y C3. Como veremos, sólo se necesita una resistencia muy pequeña para proporcionar la amortiguación necesaria. Lo ideal es utilizar la resistencia más pequeña posible, puesto que no deseamos perder ninguna potencia, pero aún así queremos amortiguar estas resonancias. Veamos a continuación el esquema modificado con una resistencia en serie de 10 Ohmios (RD).

Adding damping with resistors in an EMI filter simulation schematic
Esquemático modificado con resistencias en serie adicionales.

Voy a usar un barrido paramétrico para variar el valor de RD y determinar el mejor valor para amortiguar las resonancias de 20 kHz y 550 kHz. Como se muestra a continuación, se necesita un valor muy pequeño de RD para amortiguar significativamente ambas resonancias. He barrido el valor de RD de 1 a 6 Ohmios. Sólo se necesitan un par de Ohmios de resistencia en serie para amortiguar totalmente la resonancia de 20 kHz. La resonancia de 550 kHz también experimenta un amortiguamiento significativo con esta resistencia adicional.

Adding damping in an EMI filter simulation
Añadiendo una resistencia en serie para una mayor amortiguación en una simulación de filtro EMI.

Aquí, me conformaría con una resistencia de ~2 Ohm, ya que prefiero no sacrificar la transferencia de energía al amortiguar estas resonancias. El determinante final serán las pruebas de EMI, que deberán ser comparadas con estándares CISPR, a fin de determinar el cumplimiento de EMI/CEM.

Paso 4: Uso de Altium 365 para compartirlo

Ahora que has completado tu simulación del filtro EMI, puedes pasarlo a tu espacio de trabajo Altium 365 y compartirlo con tus colaboradores. De esta manera, todos los miembros de tu equipo podrán acceder a tus esquemas con tu modelo de filtro EMI, y podrán ejecutar sus propias simulaciones en Altium Designer y tu equipo no tendrá que enviar correos electrónicos de ida y vuelta para compartir los datos de diseño cuando uses Altium 365 para compartir y colaborar.

Resumen

En resumen, lo que hemos hecho es utilizar Altium Designer para crear y ejecutar una simulación de filtro EMI, y, a continuación, hemos compartido los resultados mediante Altium 365. Una vez que el proyecto se publique oficialmente, tus colaboradores podrán descargar el archivo SDF con los resultados de la simulación y ejecutar sus propios análisis.

Quizás no resulte evidente al ver los resultados del barrido de frecuencia anterior, pero lo cierto es que es posible que también haya bandas de parada en tu propio filtro EMI. Esto puede verse más fácilmente en un gráfico de polo cero para el circuito amortiguado. Este tipo de análisis considera la función de transferencia del filtro IEM y calcula los puntos críticos de la función de transferencia.

Los pasos que se muestran anteriormente corresponden a una simulación de un filtro EMI, pero se puede utilizar el mismo proceso para diseñar cualquier otro tipo de filtro o circuito si se utilizan las funciones de simulación integradas en Altium Designer®. Una vez estás listo para crear tu diseño en un layout de PCB, puedes capturar instantáneamente tu esquemático como un nuevo layout y compartir los datos de tu proyecto en cualquier momento a través de la plataforma Altium 365.

Altium Designer, en combinación con Altium 365, ofrece una integración sin precedentes en la industria electrónica, que hasta ahora había quedado relegada al mundo del desarrollo de software, lo que permite a los diseñadores trabajar desde casa y alcanzar niveles de eficiencia sin precedentes.

En este articulo apenas hemos arañado la superficie de lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Échale un vistazo a la página del producto para una descripción más detallada de las características o a uno de los webinars bajo demanda.

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Zachariah Peterson cuenta con una amplia experiencia técnica en el mundo académico y la industria. Antes de trabajar en la industria de PCB, enseñó en la Universidad Estatal de Portland. Realizó su investigación en Física MS sobre sensores de gas quimisortivo y su doctorado en Física Aplicada sobre teoría y estabilidad del láser aleatorio. Su experiencia en investigación científica abarca temas en láseres de nanopartículas, dispositivos semiconductores electrónicos y optoelectrónicos, sistemas ambientales y análisis financiero. Su trabajo ha sido publicado en varias revistas revisadas por pares y actas de conferencias, y ha escrito cientos de blogs técnicos sobre diseño de PCB para varias empresas. Zachariah trabaja con otras compañías en la industria de PCB proporcionando servicios de diseño e investigación. Es miembro de IEEE Photonics Society y de la American Physical Society.

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