Como Reduzir o Ruído de Modo Comum em Sua Fonte de Alimentação com Balanceamento de Impedância

Circuitos simples de reguladores de comutação que operam em espaços compactos, como em uma pequena PCB, geralmente podem ser implantados em ambientes ruidosos sem superpor ruído significativo no nível de potência de saída. Contanto que você projete a placa corretamente, provavelmente só precisará de um circuito de filtro simples para remover a EMI nas entradas e saídas. À medida que o regulador se torna maior, tanto fisicamente quanto eletricamente, os problemas de ruído podem se tornar muito mais aparentes, nomeadamente EMI radiada e EMI conduzida no layout da PCB.

Correntes conduzidas em modo comum são um problema típico em conversores DC-DC com múltiplos aterramentos, que surge devido ao acoplamento capacitivo. O método padrão é usar filtragem na saída, como com um indutor de modo comum, para lidar com o ruído de nó comum conduzido alcançando o nó de saída. No entanto, isso não faz nada para suprimir a EMI radiada que existe no laço de corrente de modo comum, deixando você com o blindagem como última opção. E se você pudesse suprimir ambos os tipos de ruído com menos necessidade de blindagem?

Nesses tipos de conversores de comutação, você pode usar uma abordagem de balanceamento de impedância para suprimir o ruído de modo comum no nó de saída da sua fonte de alimentação. Isso segue uma ideia simples, onde o aterramento do sistema é usado como uma referência global para definir a impedância nos nós de saída da sua fonte de alimentação. Vamos ver como isso funciona e o que você deve investigar com simulações no seu design.

O que é Balanceamento de Impedância?

O balanceamento de impedância utiliza uma configuração de 3 condutores (2 de sinal, 1 GND) para obter uma medição de tensão diferencial com um amplificador. Esta técnica é usada em cabos de áudio XLR como um meio de garantir que um receptor diferencial possa cancelar completamente o ruído de modo comum que pode ser conduzido através do cabo. Mark Harris discute isso brevemente em uma postagem recente no blog, embora isso tenha sido feito no contexto de sensores em vez de áudio ou fontes de alimentação.

A ideia central é definir as impedâncias dos dois fios de sinal para serem iguais, o que garantirá que cada lado de extremidade única do cabo veja a mesma impedância de entrada no receptor e a rejeição de ruído de modo comum seja assegurada no receptor diferencial.

Se você pensar a respeito, o arranjo de linhas de sinal e terra neste sistema não é diferente de pares diferenciais em uma PCB. Em um par diferencial, cada trilha tem sua impedância de modo único definida em relação ao plano de referência do par (neste caso, um plano de terra). A única diferença entre balanceamento de impedância e sinalização diferencial é que, em uma interconexão com impedância balanceada, não precisamos ter sinais iguais e opostos para V1 e V2; teoricamente, eles poderiam ser de qualquer valor. O receptor então mede a tensão em cada par em relação ao plano de referência.

Balanceamento de Impedância em um Conversor Chaveado

Ruído de modo comum em um conversor chaveado ocorre devido ao acoplamento capacitivo de volta ao plano de referência mais próximo, que é tipicamente o GND do chassis, ou poderia ser outro grande condutor que faz parte do GND do sistema ou blindagem da caixa. Isso pode ser muito problemático em layouts de fonte de alimentação fisicamente grandes que fornecem alta corrente; a capacitância parasita Cp (veja abaixo) pode ser muito grande, proporcionando uma impedância muito baixa durante um evento de chaveamento de alta dI/dt no circuito do conversor chaveado.

Daqui, podemos ver que as setas roxas traçam um grande laço de corrente. Mesmo que removamos as correntes conduzidas na carga com um filtro de modo comum, haverá uma forte emissão radiada pelos laços de corrente de modo comum. Isso também pode acontecer em topologias de conversores chaveados que usam isolamento galvânico com um transformador, como um conversor ressonante LLC.

Uma solução no seguinte circuito de conversor boost é colocar capacitores ao redor do indutor de volta ao terra do chassis, mas antes dos terminais POS_OUT e NEG_OUT. Aqui, o trilho negativo é reconectado ao terra do sistema na fonte V1, o que pode facilitar um caminho para o ruído de modo comum entre o trilho negativo e o resto do sistema. A adição dos capacitores C1/C2 e do indutor L2 cria um circuito em ponte para o caminho seguido pelo ruído de modo comum que flui para o MOSFET:

Ao usar intencionalmente capacitores para conectar os trilhos alto e baixo de volta ao terra, você estabelecerá duas correntes contrapropagantes no layout que imitam um circuito em ponte. O ruído de modo comum resultante é eliminado quando a seguinte condição de impedância é mantida:

Isso é discutido com muito mais detalhes na seguinte referência:

• Zhang, Shuaitao, et al. "Modelagem e Otimização da Técnica de Balanceamento de Impedância para Atenuação de Ruído de Modo Comum em Conversores Boost DC-DC." Electronics 9, nº 3 (2020): 480.

Finalmente, estratégias semelhantes foram discutidas para entradas ADC diferenciais e drivers de motor na presença de ruído de fonte de alimentação:

• Bae, Bumhee, et al. "Técnicas de design on-chip para redução dos efeitos de ruído da fonte de alimentação em ADC com estrutura hierárquica chip-PCB." Em 2012 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, pp. 549-553. IEEE, 2012.
• Chen, Ruirui, et al. "Redução de ruído de modo comum com balanceamento de impedância em acionamentos de motor alimentados por DC." Em 2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 2515-2520. IEEE, 2018.

Uma vez que você criar o layout da PCB, deve-se garantir a implementação de roteamento simétrico nos lados alto e baixo do MOSFET. Isso é importante, pois configurará laços de corrente contrapropagantes que gerarão campos magnéticos antiparalelos. Qualquer parte do seu roteamento que não faça parte do cancelamento de ruído de modo comum terá emissão radiada de modo diferencial, que é significativamente mais fraca do que a emissão de correntes de modo comum.

Simule o Balanceamento de Impedância com Parasitas

No circuito acima, é importante lembrar que todos os componentes possuem alguns parasitas e auto-ressonância, o que significa que a relação de impedância acima só será válida até uma frequência específica. Se você usar componentes com frequências de auto-ressonância mais altas, poderá remover o ruído de modo comum até frequências muito mais altas. Certifique-se de simular a função de transferência deste circuito de filtro para ver os limites da supressão de ruído neste sistema.

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