Un método práctico para separar las emisiones de modo común y de modo diferencial en las pruebas de emisiones conducidas

La EMI de los reguladores de conmutación se divide en emisiones radiadas y conducidas (CE). Este artículo se centra en las emisiones conducidas, que se pueden clasificar en dos categorías: ruido de modo común (CM) y ruido de modo diferencial (DM). ¿Por qué la distinción CM-DM? Las técnicas de mitigación de EMI que son efectivas para el ruido de CM no son necesariamente efectivas para el ruido de DM y viceversa, por lo que identificar la fuente de las emisiones conducidas puede ahorrar tiempo y dinero al suprimirlas. Este artículo presenta un método práctico para separar las emisiones de CM y las emisiones de DM del total de emisiones conducidas para un regulador de conmutación controlado LTC7818. Saber dónde aparecen el ruido CM y el ruido DM en el espectro CE permite a los diseñadores de fuentes de alimentación aplicar de forma eficaz técnicas de supresión de EMI, lo que ahorra tiempo de diseño y costos de BOM a largo plazo.

La figura 1 muestra las rutas de ruido CM y ruido DM para un convertidor reductor típico. El ruido DM se produce entre la línea de suministro y la línea de retorno, mientras que el ruido CM se produce entre las líneas de suministro y el plano de tierra (como una mesa de prueba de cobre) a través de la capacitancia parásita, C_EXTRAVIADO. El LISN para la medición CE se coloca entre la fuente de alimentación y el convertidor reductor. El LISN en sí mismo no se puede usar para la medición directa del ruido de CM y DM, pero mide el ruido de la línea de suministro y de retorno: V1 y V2 en la Figura 1, respectivamente. Estos voltajes se miden a través de resistencias de 50 Ω. A partir de la definición de ruido de CM y DM, que se muestra en la Figura 1, V1 y V2 se pueden expresar mediante la suma y la diferencia del voltaje de CM (V_CM) y tensión DM (V_MD), respectivamente. Esto nos permite calcular V_CM del promedio de V1 y V2, y V_MD como la mitad de la diferencia entre V1 y V2.

Medición de ruido CM y ruido DM

El combinador de potencia tipo AT es un dispositivo pasivo que combina dos señales de entrada en una sola salida de puerto. Un combinador de 0° produce una suma vectorial de las señales de entrada en el puerto de salida y un combinador de 180° produce una diferencia vectorial de las señales de entrada.¹ Por lo tanto, se puede usar un combinador de 0° para producir V_CM y un combinador de 180 ° para producir V_MD.

Los dos combinadores que se muestran en la Figura 2, ZFSC-2-1W+ (0°) y ZFSCJ-2-1+ (180°) de Mini-Circuits, se usaron para medir V_CM y V_MD de 1 MHz a 108 MHz. Para estos dispositivos, el error de medición aumenta para frecuencias por debajo de 1 MHz. Para mediciones de menor frecuencia, utilice diferentes combinadores, como ZMSC-2-1+ (0°) y ZMSCJ-2-2 (180°).

El diagrama de la configuración de prueba se muestra en la Figura 3. El combinador de potencia se agrega a la configuración de prueba CE estándar. Las salidas del LISN para la línea de suministro y la línea de retorno están conectadas al puerto de entrada 1 y al puerto de entrada 2 del combinador, respectivamente. Para el combinador de 0°, el voltaje de salida es V_{S_CM} = V1 + V2; para el combinador de 180°, el voltaje de salida es V_{S_DM} = V1 – V2.

Las señales de salida de los combinadores V_{S_CM} y V_{S_DM} debe ser procesado en el receptor de prueba para producir V_CM y V_MD. Primero, los combinadores de potencia tienen pérdidas de inserción especificadas compensadas en el receptor. En segundo lugar, dado que V_CM = 0,5 V_{S_CM} y V_MD = 0,5 V_{S_DM}, el receptor de prueba resta 6 dBµV adicionales de la señal recibida. Después de compensar estos dos factores, el ruido CM medido y el ruido DM se leen en el receptor de prueba.

Verificación Experimental de Medición de Ruido CM y Ruido DM

Se utiliza una placa de demostración estándar con convertidores reductores duales para verificar este método. La frecuencia de conmutación de la placa de demostración es de 2,2 MHz, mientras que V_EN = 12V,V_SALIDA1 = 3,3 V, yo_SALIDA1 = 10 A, V_SALIDA2 = 5 V, y yo_SALIDA2 = 10 A. La Figura 4 muestra la configuración de prueba en la cámara EMI.

La Figura 5 y la Figura 6 ilustran los resultados de la prueba. En la Figura 5, la curva de EMI más alta muestra el método de voltaje total CE medido con la configuración estándar CISPR 25, mientras que la curva de emisiones más baja muestra el ruido de CM separado medido al agregar el combinador de 0°. En la Figura 6, la curva de emisiones más altas muestra la CE total, mientras que la curva de EMI más baja muestra el ruido de DM separado medido al agregar el combinador de 180°. Los resultados de estas pruebas cumplen con el análisis teórico, lo que sugiere que el ruido DM domina el ruido en un rango de frecuencia más bajo, mientras que el ruido CM domina en el rango de frecuencia más alto.

La placa de demostración ajustada pasa CISPR 25 Clase 5

Según los resultados medidos, la emisión de ruido total excede el límite de CISPR 25 Clase 5 en el rango de 30 MHz a 108 MHz. Al separar las mediciones de ruido de CM y DM, parece que las altas emisiones conducidas en este rango son causadas por el ruido de CM. No tiene mucho sentido agregar o mejorar el filtro EMI DM o reducir la ondulación de entrada, ya que estas técnicas de mitigación no reducirían el ruido CM problemático en este rango.

Por lo tanto, los métodos que abordan específicamente el ruido CM se implementan en esta placa de demostración. Una fuente de ruido CM son las señales de dV/dt altas en el circuito de conmutación. La reducción de dV/dt mediante el aumento de la resistencia de puerta puede disminuir el nivel de ruido. Como se mencionó anteriormente, el ruido CM pasa a través del LISN a través de la capacitancia parásita C_EXTRAVIADO. Cuanto menor sea la C_EXTRAVIADO, menor será el ruido CM detectado en LISN. Para reducir C_EXTRAVIADO, el área de cobre del nodo de conmutación se reduce en esta placa de demostración. Además, se agrega un filtro EMI de CM a la entrada del convertidor para obtener una alta impedancia de CM y, por lo tanto, reducir el ruido de CM en el LISN. Al implementar estos métodos, el ruido de 30 MHz a 108 MHz se reduce lo suficiente como para cumplir con CISPR 25 Clase 5, como se muestra en la Figura 7.

Conclusión

En este artículo se presenta un método práctico para medir y separar el ruido CM y el ruido DM de las emisiones conducidas totales y se verifica con los resultados de las pruebas. Si un diseñador puede separar el ruido de CM y DM, se pueden implementar soluciones de mitigación específicas dirigidas a CM o DM para suprimir los ruidos de manera efectiva. En general, este método ayuda a encontrar rápidamente la causa raíz de la falla de EMI, ahorrando tiempo en el diseño de EMI.

Referencias

“AN-10-006: Comprender los divisores de potencia.” Mini-Circuitos, Abril 2015.