Simulazione del filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica) per la soppressione dei disturbi con AD20 e Altium 365

Zachariah Peterson
|  October 23, 2020
Se stai progettando attrezzature come queste fonti di alimentazione e oscilloscopi, dovrai eseguire una simulazione del filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica) e condividere i dati con il tuo gruppo di lavoro.

La progettazione e la valutazione del tuo nuovo prodotto comporterà l'esecuzione di varie simulazioni, soprattutto se hai bisogno di progettare una strategia di regolazione estremamente stabile dell'alimentazione. Per gli alimentatori, una fase di valutazione essenziale è la simulazione del filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica). Ciò può comportare la simulazione del disturbo casuale gaussiano direttamente nel dominio di frequenza, oppure l'analisi della risposta di frequenza di un circuito, per identificare dove il disturbo condotto/irradiato possa produrre una forte risposta nel circuito.

In una simulazione reale del filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica) per le fonti di alimentazione, devi esaminare come le parassite e l'accoppiamento tra componenti reattivi possano produrre una funzione di trasferimento complessa con più risonanze. Poiché vogliamo garantire che il filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica) possa elaborare solamente la tensione di linea in corrente alternata di 60 Hz e in corrente continua, dobbiamo esaminare le modifiche da applicare ad un reale filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica) per produrre un effetto passa-basso.

I progetti relativi a questi sistemi possono essere complessi e spesso richiedono la collaborazione di più risorse nello sviluppo di progetto. Quando devi condividere il progetto con i tuoi collaboratori puoi utilizzare le funzionalità di scambio e gestione dei contenuti in Altium 365, in completa sicurezza per i tuoi dati. I tuoi schematici, i dati di simulazione, i modelli dei componenti e qualsiasi altro dato necessario, possono essere facilmente condivisi dopo aver inserito il tuo progetto in Altium Designer®. Ecco come appare la tua simulazione del flusso di lavoro quando utilizzi Altium Designer® con la piattaforma Altium 365.

Simulazioni dei filtri EMI (Interferenza ElettroMagnetica) nei tuoi schematici

La creazione di una simulazione del filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica) è semplice quando utilizzi un editor schematico con un simulatore integrato basato sulla simulazione SPICE. L'ambiente unificato di Altium Designer® ti consente di generare immediatamente risultati di simulazione analogica nel dominio di tempo o di frequenza. Se sei ancora nella fase di qualifica del progetto, crea semplicemente il tuo schematico tramite la Miscellaneous Devices Library, accessibile dal pannello Components. Puoi inoltre creare modelli di simulazione personalizzati e importarli come componenti da utilizzare in una simulazione del filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica).

L' immagine qui di seguito mostra il mio schematico relativo ad una simulazione del filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica). Un filtro d'ingresso viene inserito dopo la sorgente di tensione, che viene quindi collegata a un nucleo di ferrite (L1) tra un filtro condensatore (C1) e una rete in parallelo RC (C2). Due condensatori di uscita (C3 e C4) sono inclusi per il filtraggio aggiuntivo in corrente alternata. In questo esempio ho incluso alcuni valori tipici di induttanza (ESL) nei condensatori C1-C4, così come la capacità parassita e la resistenza parallela per il modello del nucleo di ferrite. Si noti che i valori di Resistenza Equivalente in Serie (ESR) per i condensatori sono stati ignorati, in quanto sono nell'ordine di milliohm (mΩ) e quindi non avranno alcuna influenza in questa simulazione.

Schematico per la simulazione del filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica).
Schematico per la simulazione del filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica).

L'uscita dal mio filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica) è collegata a un carico di 1 MOhm. In questo esempio analizziamo l'influenza di questo filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica) rispetto ad un segnale in corrente alternata da 60 Hz dalla griglia e qualsiasi disturbo sovrapposto ad alta frequenza (sia esso irradiato, di oscillazione o condotto). Quanto sopra descritto può essere eseguito in due modi:

  1. Generare un disturbo casuale nel dominio temporale ed eseguire le analisi transitorie per esaminare come questo disturbo si propaghi in uscita. 
  2. Esaminare la risposta del circuito nel dominio di frequenza e utilizzare la funzione di trasferimento del filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica), così da poter identificare le risonanze dovute all'accoppiamento delle parassite nel circuito.

In questo esempio utilizzerò questo ultimo approccio, poiché il circuito mostrato in precedenza è puramente lineare, quindi le funzioni di trasferimento sono ben definite per qualsiasi segnale in corrente alternata.

Fase 1: Identificazione delle risonanze

L'immagine qui di seguito mostra i risultati iniziali della portata di frequenza, da corrente continua a 1 MHz. Ho impostato il limite inferiore sull'asse x a 1 kHz per chiarezza. Questa simulazione approssimativa mostra il segnale di uscita con un'onda sinusoidale d'ingresso in corrente alternata di 50 mV, utilizzato per identificare eventuali risonanze in questo filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica). Poiché vogliamo filtrare il disturbo a banda larga, ad esempio da un regolatore a valle o da un rettificatore a monte, abbiamo bisogno di identificare una di queste risonanze e smorzarle il più possibile.

EMI filter simulation: initial frequency sweep results.
Simulazione del filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica): Risultati iniziali della portata di frequenza.

Nei risultati sopra descritti, ho identificato i componenti responsabili della produzione di queste grandi risonanze. Queste risonanze indicano quali componenti rumorosi (frequenze specifiche) possono generare un grande picco di tensione in uscita. La risonanza a circa 22 kHz è piuttosto problematica e ha un guadagno di circa 10. In altre parole, il disturbo a banda stretta che si sovrappone a questa particolare risonanza, di valore minimo uguale a 1 µV, può produrre un picco di 50 mV in uscita quando viene misurato nella stessa larghezza di banda. Ciò sarebbe sufficiente per superare l'oscillazione consentita in uscita. Inoltre, qualsiasi rumore di commutazione o armoniche di ordine superiore generate dal raddrizzatore potrebbero eccitare questa risonanza, che produrrebbe un forte disturbo in una misurazione EMI (Interferenza ElettroMagnetica) con una sonda di prossimità.

La risonanza C1 ha un valore abbastanza elevato da poter essere smorzata aggiungendo una rete RC in parallelo con C1 (prima di L1), oppure aggiungendo alcune resistenza in serie rispetto a C1. Le risonanze di L1 e di C3+C4 possono essere smorzate allo stesso modo, aggiungendo semplicemente una resistenza in serie a queste due reti.

Fase 2: Smorzare la risonanza di C1

La risonanza di C1, nel grafico sopra descritto, può essere smorzata aggiungendo una piccola resistenza in serie. I risultati iniziali della portata di frequenza, per il caso con una resistenza in serie da 1 kOhm nel ramo di C1 del filtro, sono mostrati qui di seguito. Possiamo osservare chiaramente che questa resistenza addizionale in serie smorza la risonanza C1 fino al punto in cui non è più visibile nella funzione di trasferimento del filtro. Tuttavia, abbiamo creato un nuovo problema, in quanto la risonanza a circa 550 kHz ha un guadagno enorme di circa 10. Questo si verifica a causa dell'accoppiamento fra i componenti reattivi e le relative parassite, come tipico comportamento nei comuni circuiti con più componenti reattivi. Un ottimo esempio può essere consultato in questo articolo.

Adding damping in an EMI filter simulation
Risultati di simulazione del filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica) per lo smorzamento della risonanza di C1.

Fase 3: Smorzamento delle risonanze a 20 kHz e 550 kHz

Per smorzare le risonanze rimanenti, proverò ad aggiungere una resistenza in serie tra L1 e C3. Come vedremo, basta solamente una piccola resistenza per fornire lo smorzamento richiesto. Idealmente, potresti utilizzare la più piccola resistenza possibile, visto che non vuoi diminuire nessun carico ma desideri comunque smorzare queste risonanze. Lo schematico modificato con una serie di resistenze da 10 Ohm (RD) è mostrato qui di seguito.

Adding damping with resistors in an EMI filter simulation schematic
Schematico modificato con resistenze aggiunte in serie.

In questo esempio, utilizzerò uno sweep parametrico per variare il valore di RD e determinare quello più adatto da utilizzare per smorzare le risonanze a 20 kHz e 550 kHz. Come mostrato qui di seguito, è necessario utilizzare un valore RD molto piccolo per smorzare in maniera significativa entrambe le risonanze. Ho diminuito il valore di RD da 1 a 6 Ohm. Infatti, bastano resistenze in serie da pochi Ohm per smorzare completamente la risonanza a 20 kHz. La risonanza a 550 kHz subisce ugualmente un significativo smorzamento grazie a questa resistenza aggiuntiva.

Adding damping in an EMI filter simulation
Aggiunta di resistenze in serie per un maggiore smorzamento in una simulazione del filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica).

In questo caso sceglierei una resistenza di circa 2 Ohm, poiché preferirei non sacrificare il trasferimento di potenza al momento di smorzare queste risonanze. Il fattore determinante ultimo saranno i collaudi EMI (Interferenza ElettroMagnetica), che dovranno essere successivamente confrontati con gli standard CISPR per determinare la conformità EMI/EMC (Interferenza ElettroMagnetica/Compatibilità ElettroMagnetica).

Fase 4: Condivisione su Altium 365

Ora che hai terminato la simulazione del filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica), puoi importarla nella tua area di lavoro Altium 365 e condividerla con i tuoi collaboratori. Tutti i membri del tuo gruppo di lavoro potranno accedere ai tuoi schematici con il tuo modello di filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica) e potranno eseguire le proprie simulazioni in Altium Designer®. Il tuo gruppo di lavoro non dovrà scambiarsi email per condividere i dati di progettazione mentre utilizzi Altium 365 per la condivisione e la collaborazione.

Riepilogo

In sintesi, abbiamo utilizzato Altium Designer® per creare ed eseguire una simulazione dei filtri EMI (Interferenza ElettroMagnetica), e tali risultati sono condivisi su Altium 365. Una volta rilasciato formalmente il progetto, i tuoi collaboratori potranno scaricare il file SDF con i risultati della simulazione ed eseguire le proprie analisi.

I risultati iniziali della portata di frequenza di cui sopra potrebbero non essere così ovvi a prima vista, ma comportarsi inoltre come elimina-banda nel tuo filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica). Questo può essere osservato più facilmente in un grafico dei poli-zero per il circuito smorzato. Questo tipo di analisi esamina la funzione di trasferimento per il filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica) e calcola i punti critici nella funzione di trasferimento.

Le fasi sopra indicate sono relative alla simulazione di un filtro EMI (Interferenza ElettroMagnetica), ma puoi utilizzare gli stessi procedimenti per progettare qualsiasi altro tipo di filtro o circuito per l'utilizzo delle funzionalità di simulazione integrate in Altium Designer®. Una volta che sei pronto a creare il tuo progetto in un layout PCB, puoi acquisire immediatamente lo schematico come un nuovo layout e condividere i dati del tuo progetto in qualsiasi momento tramite la piattaforma Altium 365.

La collaborazione fra Altium Designer® e Altium 365 offre un valore d'integrazione senza precedenti nel settore dell'elettronica, finora relegato solamente al mondo dello sviluppo dei software, consentendo ai progettisti di lavorare da remoto e raggiungere straordinari livelli di efficienza.

Questo è solo un piccolo esempio di ciò che è possibile realizzare con Altium Designer® tramite Altium 365. Puoi verificare la pagina prodotto per una descrizione più approfondita delle funzionalità, oppure assistere ad uno dei webinar on-demand.

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Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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