Cómo combatir la EMI de la fuente de alimentación en tu PCB

Las fuentes de alimentación son uno de esos sistemas que todos tendemos a dar por sentado. La primera tarea de todos en el diseño de fuentes de alimentación suele ser asegurar que el voltaje y la corriente de salida alcancen el nivel deseado, probablemente seguido por consideraciones térmicas. Sin embargo, debido a cuestiones de seguridad, requisitos de EMC, el uso de frecuencias PWM más altas y la necesidad de empaquetados más pequeños, la EMI de la fuente de alimentación debería ser una consideración de diseño principal. Ignorar la EMI de la fuente de alimentación es un riesgo que toma el diseñador, ya que no pasar las pruebas de EMC llevará a una serie de rediseños que desperdician tiempo y dinero.

Dicho esto, ¿cuáles son las principales fuentes de EMI en las fuentes de alimentación y cómo pueden los diseñadores de fuentes de alimentación mantenerlas bajo control? La EMI de una fuente de alimentación se manifiesta principalmente como EMI conducida que se dirige a una carga, pero también hay EMI radiada del dispositivo, particularmente al diseñar reguladores de conmutación de alta corriente. Aunque no podemos cubrir cada fuente en este artículo, compilaré una lista de estrategias que pueden ayudarte a comenzar a resolver algunos problemas comunes de EMI en fuentes de alimentación.

Encuentra la Causa de la EMI en la Fuente de Alimentación

Como mencioné anteriormente, las fuentes de alimentación principalmente emiten EMI conducida, aunque puede haber EMI radiada particularmente fuerte en las fuentes de alimentación conmutadas. Cuando pensamos en EMI en las fuentes de alimentación, necesitamos considerar la topología, y si queremos abordar corrientes no deseadas o emisiones no deseadas, al planificar el diseño del PCB. Un regulador lineal simple o un LDO tendrán menos problemas que abordar que un regulador conmutado de alta frecuencia y alta corriente.

En la tabla a continuación, he esbozado las tres fuentes comunes de EMI y sus causas en las unidades de suministro de energía y en los circuitos reguladores a bordo. Solo por un momento, a veces necesitamos distinguir entre el EMI que ocurre dentro de la fuente de alimentación y el EMI que recibe la placa conectada a la fuente de alimentación. En realidad, la magnitud del EMI en cada tipo de sistema es una cuestión de escala; los mecanismos fundamentales que producen EMI son los mismos en reguladores de potencia integrados y unidades de suministro de energía.

Se han escrito volúmenes sobre cada una de estas áreas, y cada área no puede ser tomada de forma aislada. Por ejemplo, varios modos de operación (p. ej., resonancias) y parámetros de conmutación (alta frecuencia de PWM) pueden combinarse para producir corrientes de modo común, que luego generan algo de EMI o se conducen a componentes aguas abajo para reducir la entrega total de potencia.

Vamos a mirar brevemente cada una de estas áreas para ver cómo se relacionan con la EMI de la fuente de alimentación.

Corrientes de Modo Común

Los factores que impulsan las corrientes de modo común son un poco contraintuitivos. Las corrientes de modo común son un efecto eléctrico, lo que significa que son impulsadas por cambios en el campo eléctrico, por lo que las corrientes de modo común en las fuentes de alimentación son mediadas por capacitancia parásita hacia el chasis, en lugar de inductancia parásita. El gráfico a continuación muestra un ejemplo de corriente de entrada en una sección de regulación de CC de una fuente de alimentación que aparece como ruido de modo común en los rieles PWR/GND.

Tenga en cuenta que esta trayectoria de corriente puede aparecer en el sistema incluso después de que el ruido de modo común de entrada se filtre desde la entrada de CA principal. También puede tener una inductancia de bucle muy grande, creando una nueva ubicación para emitir o recibir EMI.

¿Por qué debería ocurrir esto en primer lugar? La razón es que hay una diferencia de potencial entre el Punto A en el diagrama anterior y el chasis, permitiendo que cierta corriente conduzca de regreso a la red eléctrica a través de la capacitancia parásita. Un problema similar puede ocurrir en placas de Ethernet con secciones de tierra divididas, donde el ruido de modo común puede acoplarse al lado PHY de un enlace de red Ethernet.

La solución: Depende de cómo las corrientes de modo común están entrando en el sistema. Para las corrientes conducidas desde la red eléctrica de CA, querrás alguna filtración en la salida de la fuente de alimentación. Un filtro de modo común es estándar, o puedes usar un filtro de corriente de modo común con topología de paso bajo. Un filtro pi puede ser utilizado para una filtración extra del ruido de modo diferencial. En algunos sistemas, como los interruptores de Ethernet industrial, las corrientes de modo común ocurrirán, pero tu trabajo es prevenir que se conduzcan hacia circuitos sensibles siguiendo tus caminos de retorno.

¿Qué causa el zumbido parasitario?

En la tabla anterior, he identificado algunas causas del ringing que pueden ocurrir, particularmente en la operación en modo discontinuo. Sin embargo, los parásitos también pueden causar que las condiciones para el amortiguamiento en el diseño se modifiquen, llevando a una resonancia subamortiguada con ringing. Hay muchos parásitos encontrados en componentes reales que influirán en el ringing. El ringing no es exactamente una forma de EMI ya que es causado por elementos reactivos en circuitos reales. Sin embargo, el ringing en sus diversas formas puede contribuir a otras formas de EMI (vea este artículo para un ejemplo), por lo que debería incluirse en una discusión sobre EMI, especialmente en fuentes de alimentación. Algunos parásitos que son participantes prominentes en el ringing incluyen:

• Inductancia de los cables del MOSFET, capacitancia del cuerpo
• Capacitancia de bobinado de inductor/transformador
• Inductancia parásita en las trayectorias de corriente en el diseño del PCB
• Interacción entre parásitos y elementos RLC intencionados en el circuito

Los parásitos y componentes deseados en el diseño de la fuente de alimentación forman un circuito RLC equivalente, que podría exhibir una resonancia subamortiguada. El ringing aparece como ruido de modo diferencial en la salida con un espectro de potencia que se extiende hasta frecuencias altas de MHz, dependiendo de la frecuencia resonante del circuito RLC equivalente formado por parásitos.

La solución: Utilizar componentes con parasitarios más pequeños, lo que puede significar componentes físicamente más grandes o más pequeños. Desafortunadamente, esto no es tan fácil como suena, tanto en la práctica como en la simulación. Además, necesitas enfocarte en los parasitarios que más importan en tu diseño, y tendrás que aceptar que tu disposición nunca estará totalmente libre de parasitarios.

EMI radiada

La EMI radiada tiene dos fuentes principales. Primero, ocurre en ráfagas en un regulador de conmutación cada vez que el MOSFET se conmuta, lo que también genera algo de EMI conducida que abarca un amplio espectro de potencia (ver más abajo). Segundo, las corrientes de modo común también son fuentes de EMI radiada. El patrón de radiación de estas dos fuentes puede ser muy complejo y puede abarcar múltiples armónicos.

La solución: Necesitas usar filtrado de paso bajo para intentar eliminar algo de la EMI conducida (modo diferencial) de la salida de la fuente de alimentación. La EMI radiada se reduce significativamente al enfocarse en reducir las corrientes de modo común, cuya radiación puede ser ~100 veces más fuerte que la EMI radiada en modo diferencial (ver las mediciones de ejemplo más abajo). La EMI radiada por conmutación es en gran medida inevitable, aunque se puede suprimir con un vertido de tierra cerca de la sección de conmutación y asegurando un enrutamiento de baja inductancia de bucle.

Tenga en cuenta que el espectro de EMI conducido mostrado arriba también podría aparecer en el espectro de EMI radiado. Esto también se puede observar en los cristales de conmutación, que pueden radiar fuertemente debido a las grandes inductancias de bucle a lo largo del camino de la línea de señal de reloj. Lo mismo puede ocurrir cuando una señal PWM de alta frecuencia no se enruta cerca de un gran plano de referencia. Este problema secundario está relacionado con el enrutamiento, en lugar de simplemente la naturaleza de la conmutación en MOSFETs u otros componentes de conmutación.

En el caso de que estas medidas no funcionen, hay medidas de blindaje que se pueden implementar en la placa. La mayoría de los diseñadores probablemente estén familiarizados con las latas de blindaje, que se pueden montar en la placa y se pueden usar para apuntar a circuitos específicos o grupos de componentes. Luego están las soluciones de carcasa, como cintas conductoras, juntas conductoras, materiales de blindaje de malla y similares que se pueden montar en la carcasa. Tenga en cuenta cómo conecta a tierra estas soluciones; el uso adecuado requerido para crear una jaula de Faraday en el diseño depende de cómo haya definido "tierra" en su sistema (es decir, tierra, chasis o tierra del sistema).

Diagnóstico de Problemas de EMI en Fuentes de Alimentación

Las simulaciones SPICE son excelentes para examinar la topología y el rendimiento eléctrico de tus circuitos de suministro de energía, particularmente los reguladores de conmutación que pueden producir ruido conducido o ruido radiado. Sin embargo, estos tipos de EMI no pueden diagnosticarse completamente con simples simulaciones SPICE porque pueden depender en gran medida del diseño físico. Una utilidad de solucionador de campos puede ayudarte a identificar lugares en el diseño con emisión radiada fuerte, fuerte resonancia y corrientes de modo común. Hacer esto correctamente requiere importar tu diseño directamente en una utilidad de solucionador de campos para que la herramienta pueda considerar tu diseño directamente.

Cuando necesites investigar la EMI de la fuente de alimentación y cambiar tu diseño para reducir la EMI, puedes usar el conjunto completo de herramientas de diseño de PCB en Altium Designer®. Para cálculos más avanzados que involucren EMI conducida o radiada, los usuarios de Altium Designer pueden usar la extensión EDB Exporter para importar diseños en solucionadores de campos de Ansys. Este par de aplicaciones de solucionador de campos y diseño te ayuda a verificar tu diseño antes de comenzar una serie de prototipos.

Cuando hayas terminado tu diseño y quieras liberar los archivos para tu fabricante, la plataforma Altium 365 facilita la colaboración y el compartir tus proyectos. Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible hacer con Altium Designer en Altium 365. Puedes consultar la página del producto para obtener una descripción más detallada de las características o alguno de los Seminarios Web Bajo Demanda.