Qué hay dentro de un convertidor CC/CC con filtro de entrada EMC

La acción de conmutación de los convertidores CC-CC puede provocar ruido indeseado en modo normal y diferencial, creando interferencias a niveles inaceptables en muchos puntos del espectro de frecuencias.

Los filtros front-end (o de línea de alimentación) se utilizan en los convertidores CC/CC para mitigar las interferencias electromagnéticas (EMI). Pueden diseñarse a medida o adquirirse en el mercado para que un diseño con una fuente de alimentación conmutada (SMPS) o un convertidor CC/CC de un proveedor cumpla las normas reglamentarias de compatibilidad electromagnética (EMC) para emisiones conducidas y radiadas (por ejemplo, FCC, ETSI, CISPR, MIL-SPEC, etc.).

Estos filtros se diseñan a medida en función de la firma electromagnética del equipo de conversión de energía. Sin embargo, hay que tener en cuenta ciertas restricciones de diseño eléctricas (xej: picos de tensión, ondulación), mecánicas (xej: vibraciones, golpes) y medioambientales (xej: gran altitud) para satisfacer las necesidades de los equipos militares. En este artículo se analizan las consideraciones de diseño de los filtros front-end y los requisitos de ensayo de los módulos de alimentación de CC para equipos militares.

El diseño de este filtro de entrada es fundamental para cumplir las normas y objetivos de compatibilidad electromagnética (CEM). Los filtros front-end, o filtros de entrada, se utilizan para múltiples propósitos:

• Suprimir el ruido y las sobretensiones que puedan entrar en la primera etapa de la fuente de alimentación y,
• Disminuir el ruido emitido tanto en la frecuencia (es decir, la frecuencia de conmutación) como en sus armónicos.

Las fuentes de alimentación conmutadas se utilizan cada vez más en electrónica y tienen un amplio contenido espectral que podría conducirse a otras partes del circuito a través del contacto físico e interferir con circuitos sensibles cercanos. El ruido se convierte en un problema cada vez mayor con velocidades de conmutación más altas, sobre todo cuando los transistores que se encienden y apagan rápidamente pueden causar interrupciones en el flujo de corriente (lo que provoca picos de tensión y ruido de alta frecuencia). Estas interrupciones del flujo de corriente pueden producirse en la entrada de los convertidores buck (reductores), en la salida de los convertidores boost (elevadores), y tanto en la entrada como en la salida de los convertidores flyback y buck-boost.

La entrada del convertidor buck CC/CC se caracteriza por el rápido encendido y apagado de sus dispositivos de conmutación, lo que provoca corrientes discontinuas que tienen bordes de subida y bajada bruscos (alto di/dt) en los condensadores de entrada. Esto provocará que la frecuencia y varios armónicos (a menudo los de orden inferior) no cumplan con la conformidad. Un convertidor elevador que funcione en modo de conducción continua (CCM) experimentará EMI en su salida debido a la necesidad de diodos de recuperación inversa rápida que, aunque reducen en gran medida las pérdidas de potencia, tendrán un cambio de corriente (di/dt) mucho más agresivo y aumentarán la EMI. En el modo de conducción discontinua (DCM), el rizado de la corriente primaria es mayor. El rizado creará una señal variable que se conduce a otras partes del sistema a través de conductores que comparten un contacto común.

Por lo general, las emisiones conducidas se asocian a frecuencias inferiores a 30MHz, mientras que las emisiones radiadas suelen corresponder a frecuencias superiores a 30MHz (a menudo de 50 a 300MHz). No obstante, sigue habiendo solapamientos entre las emisiones conducidas y las radiadas. En una fuente de alimentación conmutada, los picos de tensión (dV/dt elevados) suelen ser fuentes de emisiones radiadas. Como ya se ha dicho, la EMI conducida suele proceder de la corriente discontinua (di/dt elevado) y puede dividirse en ruido en modo común (CM) y en modo diferencial (DM).

Las corrientes DM suelen estar dominadas por di/dt y fluirán entre la línea de alimentación y la vía de retorno; el ruido DM domina las frecuencias más bajas. Generalmente es difícil cambiar el comportamiento de di/dt sin cambiar fundamentalmente el circuito. La reducción de di/dt se consigue normalmente mediante el uso de un filtro EMI pasivo de paso bajo (por ejemplo, amortiguador R-C, L-C, sección Pi, sección T, etc.) para amortiguar las oscilaciones causadas por las corrientes discontinuas.

Las corrientes CM son generalmente una función de dV/dt y fluirán entre cada una de las líneas de potencia y tierra. Cuando las corrientes CM se acoplan en conductores o cableados largos, el cableado puede actuar como una antena que hace que el ruido CM sea más dominante a altas frecuencias. Dependiendo de la longitud del cable y de la distancia entre los conductores y el plano de tierra de referencia, el área de bucle para vías de retorno no intencionadas puede ser considerablemente grande. El ruido CM puede suprimirse significativamente con un diseño eficaz, como acercar los conductores al plano de tierra de referencia, instalar condensadores de seguridad con cuidado, proteger los arneses de cables conectados o colocar una reactancia CM en la trayectoria de las corrientes CM. Una reactancia CM también proporciona una ruta en serie de alta impedancia que permite que las corrientes CM fluyan fuera del convertidor con condensadores Y que forman una ruta de derivación a tierra EMI.

Tanto DM como CM contribuyen a la EMI y, a menudo, los componentes de ruido DM y CM deben cuantificarse antes de diseñar el filtro EMI para cumplir las normas EMC del sector. La EMI de entrada se cuantifica normalmente utilizando una red de estabilización de impedancia de línea (LISN) en la entrada del dispositivo bajo prueba (DUT), así como un analizador de espectro.

En general, el filtrado EMI pasivo es el enfoque más común para la mitigación del ruido; sin embargo, puede resultar difícil cuando los filtros se terminan con las fuentes de ruido variables en un SMPS y las diferentes impedancias de carga. Por lo general, estos filtros consisten en diversas disposiciones de resistencias, condensadores e inductores. La magnitud del componente fundamental y el primer par de armónicos son los mayores y los que más contribuirán al ruido global, mientras que la magnitud de los armónicos de orden superior disminuirá a medida que aumente la frecuencia. La capacidad del filtro para atenuar estos componentes de ruido también aumenta con la frecuencia, por lo que mitigar el ruido en la frecuencia y los armónicos de orden inferior es un importante reto de diseño.

Por lo general, los filtros pasivos de gran tamaño atenúan las emisiones de baja frecuencia; sin embargo, las emisiones de alta frecuencia pueden requerir consideraciones de diseño adicionales debido a su naturaleza parasitaria (por ejemplo, la resistencia e inductancia en serie equivalente (ESR/ESL) de un condensador y la capacitancia en paralelo de un inductor). Otras técnicas de filtrado de EMI suelen implicar componentes activos: una de ellas es el uso del espectro ensanchado, o dithering, para modular la frecuencia de conmutación de la fuente de alimentación y reducir los picos encontrados en el dominio de la frecuencia y los armónicos de orden inferior. En última instancia, la técnica empleada depende de la firma de ruido única de la SMPS, así como del coste, el tamaño y las restricciones normativas del diseño.

Además de cumplir las normas de EMC, los filtros EMI también pueden tener la capacidad de atenuar los transitorios de alta corriente que se reflejan desde la carga a la potencia de entrada del SMPS. Las características transitorias previstas de cada SMPS variarán y, por lo tanto, a menudo se requiere un diseño personalizado para suprimir suficientemente las sobretensiones. Esta es sin duda una consideración de diseño adicional para la electrónica de potencia MIL-SPEC. Los equipos militares tienen que cumplir una serie de requisitos de diseño eléctrico, mecánico y medioambiental que obligan a los fabricantes a diseñar cuidadosamente la electrónica de potencia desde el principio: hay que comprobar los materiales y cumplir los requisitos de rendimiento eléctrico, mecánico y medioambiental.

La norma MIL-STD-461 establece los límites de emisiones conducidas y radiadas de los equipos eléctricos con directrices para medir correctamente la EMI. Si la SMPS supera estos límites, y a menudo lo hace, necesitará un filtro EMI para “volver a cumplir las especificaciones”. Sin embargo, la elección de cualquier filtro EMI comercial no necesariamente hará que la fuente de alimentación se ajuste de repente a los requisitos estándar; el equipo puede ser tan ruidoso que añadir cualquier filtro EMI a la entrada hace que la pieza siga fallando. Los diversos requisitos de MIL-STD-461 y sus descripciones se pueden encontrar en la Tabla 1. Los equipos electrónicos que cumplen la norma MIL-STD-461 suelen enumerar los requisitos CE, CS y RE específicos que cumplen.

Tabla 1.

La EMI no es la única consideración en lo que respecta al rendimiento, la fiabilidad y la seguridad de los componentes electrónicos. Las fuentes de alimentación también deben ser capaces de funcionar bajo diversas condiciones de tensión, incluyendo polaridad inversa, picos de tensión y sobretensiones. La norma MIL-STD-1275E establece las condiciones de prueba que deben aplicarse a la entrada de un sistema de alimentación eléctrica de 28V, así como los parámetros de rendimiento esperados de dicho equipo. Se espera que estos sistemas se encuentren en vehículos militares terrestres, vehículos todoterreno civiles, así como en equipos pesados militares y civiles.

Otras normas militares, como la norma MIL-STD 704F para las características de alimentación eléctrica de los aviones y la DO-160G para equipos aerotransportados, especificarán las condiciones ambientales y los procedimientos de ensayo para simular adecuadamente diversas condiciones de tensión. La norma MIL-STD-810 incluye condiciones de ensayo y requisitos para equipos que se someterán a choques mecánicos, vibraciones y altitudes elevadas. Esto también puede ser una consideración necesaria para garantizar la longevidad y fiabilidad de la fuente en entornos difíciles. Las fuentes de alimentación que funcionan en vehículos militares y en sistemas aerotransportados probablemente tendrán que cumplir las normas MIL-STD-1275E/MIL-STD 704F, MIL-STD-461 y aspectos de MIL-STD-810 para ser consideradas aptas para su uso. P-DUKE, distribuida en España y Portugal por Electrónica OLFER, ofrece una línea de filtros frontales MCF MIL-SPEC que pueden combinarse con determinados convertidores CC/CC para cumplir todas estas especificaciones.

La serie MCF ofrece filtrado EMI y protección contra transitorios para cumplir los requisitos de emisiones conducidas, susceptibilidad conducida y emisiones radiadas de la norma MIL-STD-461G, los requisitos de sobretensiones/picos de numerosas normas militares y los requisitos de altitud/choque/vibración de la norma MIL-STD-810 (Tabla 2).

La serie ofrece protección activa contra sobretensiones de entrada que bloquea las sobretensiones de hasta 100V con una duración máxima de 50ms hasta un nivel seguro de 40V y absorbe los picos de +/-25 V con los circuitos de protección internos (Figura 1).

Como se muestra en la Figura 2, la serie incluye otras funciones de protección activa, como control remoto de encendido/apagado, protección contra sobrecargas, protección contra cortocircuitos de salida, protección contra polaridad inversa, limitación de corriente de irrupción, etc.

En la figura 3 se aprecia una mejora considerable de la EMI, ya que el rendimiento EMI del convertidor CC/CC HAE200 de 200W se comprobó antes y después de aplicar el filtro MCF. Esto reduce en gran medida el coste y el esfuerzo de diseño que conlleva un filtro EMI personalizado y los circuitos periféricos. Con una potencia nominal de hasta 250W, los filtros frontales MCF pueden aprovecharse para una amplia gama de equipos militares.

Los filtros EMI no pueden seleccionarse simplemente de forma arbitraria para que una fuente de alimentación cumpla la normativa, y el proceso de diseño de estos filtros puede ser bastante complejo con un elevado coste de ingeniería no recurrente (NRE). Este es especialmente el caso de los equipos de grado militar, donde los subsistemas de a bordo en vehículos militares y aeronaves que se alimentan de baterías de 24V o generadores de 28V tienen requisitos estrictos en múltiples dimensiones, donde los equipos COTS y las soluciones personalizadas pueden no ser viables. P-DUKE y Electrónica OLFER ofrecen convertidores CC-CC de 15 a 250W que, combinados con los filtros frontales MCF correspondientes, cumplen los requisitos militares de compatibilidad electromagnética y supresión de sobretensiones.