Cómo reducir el ruido de modo común en su fuente de alimentación con el equilibrio de impedancia

Los circuitos reguladores de conmutación simples que operan en espacios compactos, como en un PCB pequeño, generalmente pueden desplegarse en entornos ruidosos sin superponer un ruido significativo en el nivel de potencia de salida. Siempre y cuando dispongas adecuadamente la placa, probablemente solo necesitarás un circuito de filtro simple para eliminar la EMI en las entradas y salidas. A medida que el regulador se hace más grande, tanto física como eléctricamente, los problemas de ruido pueden volverse mucho más evidentes, a saber, la EMI radiada y la EMI conducida en el diseño del PCB.

Las corrientes conducidas de modo común son un problema típico en los convertidores DC-DC con múltiples tierras, que surge debido al acoplamiento capacitivo. El método estándar es utilizar filtrado en la salida, como con un inductor de modo común, para tratar el ruido de nodo común conducido que alcanza el nodo de salida. Sin embargo, esto no hace nada para suprimir la EMI radiada que existe en el lazo de corriente de modo común, dejándote con el blindaje como última opción. ¿Y si pudieras suprimir ambos tipos de ruido con menos necesidad de blindaje?

En estos tipos de convertidores de conmutación, puedes utilizar un enfoque de equilibrio de impedancia para suprimir el ruido de modo común en el nodo de salida de tu fuente de alimentación. Esto sigue una idea simple, donde la tierra del sistema se utiliza como referencia global para definir la impedancia en los nodos de salida de tu fuente de alimentación. Veamos cómo funciona esto y qué deberías investigar con simulaciones en tu diseño.

¿Qué es el Equilibrio de Impedancia?

El equilibrio de impedancia utiliza una configuración de 3 conductores (2 de señal, 1 GND) para recoger una medición de voltaje diferencial con un amplificador. Esta técnica se utiliza en cables de audio XLR como un medio para asegurar que un receptor diferencial pueda cancelar completamente el ruido de modo común que podría ser conducido a través del cable. Mark Harris discute esto brevemente en una publicación de blog reciente, aunque esto se hizo en el contexto de sensores en lugar de audio o fuentes de alimentación.

La idea central es establecer las impedancias de los dos cables de señal para que sean iguales, lo que asegurará que cada lado de extremo único del cable vea la misma impedancia de entrada en el receptor y se garantice la rechazo de ruido de modo común en el receptor diferencial.

Si lo piensas, la disposición de las líneas de señal y tierra en este sistema no es diferente a la de los pares diferenciales en un PCB. En un par diferencial, cada traza tiene su impedancia de modo simple definida con respecto al plano de referencia del par (en este caso, un plano de tierra). La única diferencia entre el equilibrio de impedancia y la señalización diferencial es que, en una interconexión con equilibrio de impedancia, no necesitamos tener señales iguales y opuestas para V1 y V2; teóricamente podrían ser cualquier valor. Luego, el receptor mide el voltaje a través de cada par con respecto al plano de referencia.

Equilibrio de Impedancia en un Convertidor Conmutado

El ruido de modo común en un convertidor conmutado ocurre debido al acoplamiento capacitivo de vuelta al plano de referencia más cercano, que típicamente es el GND del chasis, o podría ser otro conductor grande que forma parte del GND del sistema o blindaje del recinto. Esto puede ser muy problemático en diseños de fuentes de alimentación físicamente grandes que suministran alta corriente; la capacitancia parásita Cp (ver abajo) puede ser muy grande, dando una impedancia muy baja durante un evento de conmutación de alta dI/dt en el circuito del convertidor conmutado.

Desde aquí, podemos ver que las flechas moradas trazan un gran bucle de corriente. Incluso si eliminamos las corrientes conducidas en la carga con un filtro de modo común, habrá una fuerte emisión radiada de los bucles de corriente de modo común. Esto también puede ocurrir en topologías de convertidores conmutados que utilizan aislamiento galvánico con un transformador, como un convertidor resonante LLC.

Una solución en el siguiente circuito de convertidor elevador es colocar capacitores alrededor del inductor de vuelta a tierra del chasis, pero antes de los terminales POS_OUT y NEG_OUT. Aquí, el riel negativo está conectado de vuelta a la tierra del sistema en la fuente V1, lo que puede facilitar un camino para el ruido de modo común entre el riel negativo y el resto del sistema. La adición de los capacitores C1/C2 y el inductor L2 crea un circuito puente para el camino seguido por el ruido de modo común que fluye hacia el MOSFET:

Al usar intencionalmente capacitores para conectar los rieles alto y bajo de vuelta a tierra, establecerás dos corrientes contrapropagantes en el diseño que imita un circuito puente. El ruido de modo común resultante se elimina cuando se cumple la siguiente condición de impedancia:

Esto se discute con mucho más detalle en la siguiente referencia:

• Zhang, Shuaitao, et al. "Modelado y optimización de la técnica de equilibrio de impedancia para la atenuación de ruido de modo común en convertidores elevadores de CC-CC." Electronics 9, n.º 3 (2020): 480.

Finalmente, se han discutido estrategias similares para entradas ADC diferenciales y controladores de motores en presencia de ruido de fuente de alimentación:

• Bae, Bumhee, et al. "Técnicas de diseño en chip para reducir los efectos del ruido de la fuente de alimentación en ADC con estructura jerárquica chip-PCB." En 2012 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, pp. 549-553. IEEE, 2012.
• Chen, Ruirui, et al. "Reducción de ruido de modo común con equilibrio de impedancia en accionamientos de motores alimentados por CC." En 2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 2515-2520. IEEE, 2018.

Una vez que crees el diseño del PCB, debes asegurarte de implementar un enrutamiento simétrico en los lados alto y bajo del MOSFET. Esto es importante ya que establecerá bucles de corriente contrapropagantes que generarán campos magnéticos antiparalelos. Cualquier parte de tu enrutamiento que no sea parte de la cancelación de ruido de modo común tendrá emisión radiada en modo diferencial, la cual es significativamente más débil que la emisión de corrientes de modo común.

Simula el Equilibrio de Impedancia con Parásitos

En el circuito anterior, es importante recordar que todos los componentes tienen algunos parásitos y auto-resonancia, lo que significa que la relación de impedancia anterior solo se mantendrá hasta una frecuencia específica. Si usas componentes con frecuencias de auto-resonancia más altas, puedes eliminar el ruido de modo común hasta frecuencias mucho más altas. Asegúrate de simular la función de transferencia de este circuito de filtro para ver los límites de supresión de ruido en este sistema.

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