Cómo obtener los mejores resultados utilizando LTspice para la simulación de EMC-Parte 1

Resumen

A medida que las innovaciones tecnológicas, como los dispositivos conectados al IoT y la conectividad 5G, pasan a formar parte de nuestra vida cotidiana, también es necesario regular las emisiones electromagnéticas de estos dispositivos y cuantificar su inmunidad EMI. Alcanzar los objetivos de cumplimiento de la CEM suele ser una tarea compleja. Este artículo proporciona un software de código abierto LTspice^® circuitos de simulación para responder a las preguntas clave: (a) ¿pasará mi sistema las pruebas de EMC o necesito añadir técnicas de mitigación? y (b) ¿cómo de inmune es mi diseño al ruido del entorno externo?

¿Por qué debería utilizar LTspice para la simulación de EMC?

El diseño para la EMC debería seguir el calendario de lanzamiento del producto lo más cerca posible, pero a menudo no es así, ya que los problemas de EMC y las pruebas de laboratorio pueden retrasar el lanzamiento del producto durante meses.

Normalmente, la simulación se centra en los aspectos funcionales de un dispositivo electrónico; sin embargo, una herramienta sencilla y de código abierto, como LTspice, también puede utilizarse para simular el comportamiento CEM de cualquier dispositivo. Como muchos de nosotros trabajamos desde casa y los costes de los laboratorios de EMC son elevados (hasta 2.000 dólares por día), las herramientas de simulación de EMC precisas son aún más útiles. Dedicar unas horas a simular los fallos de EMC y corregir los circuitos ahorra múltiples iteraciones de pruebas de laboratorio y costosos rediseños de hardware.

Para ser útil, una herramienta de simulación de CEM debe ser lo más precisa posible. Esta serie de artículos proporciona algunas pautas y modelos de circuitos EMC simulados en LTspice que se adaptan bien a las mediciones reales de laboratorio.

Esta es la primera parte de una serie de tres artículos que proporcionan modelos de simulación de CEM para un ejemplo de cadena de señales de sensores, con un sensor de vibración MEMS en el centro. Sin embargo, muchos componentes y técnicas de simulación de EMC no son exclusivos de las soluciones MEMS y pueden utilizarse en una amplia gama de aplicaciones.

• Parte 1: Componentes de la fuente de alimentación y emisiones conducidas e inmunidad.
• Parte 2: Integridad de la señal y robustez transitoria en enlaces transceptores controlados por cable.
• Parte 3: Componentes de acondicionamiento de la señal y mejora de la inmunidad al ruido externo.

Resolver problemas de emisión e inmunidad con LTspice

Después de leer este artículo, deberías ser capaz de responder a las siguientes preguntas clave:

a) ¿Es probable que mi sistema pase las pruebas de EMC? ¿Tengo que guardar una huella adicional para un inductor de modo común, un inductor de filtro o un condensador? Después de leer este artículo, deberías ser capaz de utilizar LTspice para trazar el ruido diferencial y de modo común en tu diseño de potencia del convertidor buck y mostrar cómo el circuito supera o no los límites de la norma de emisiones conducidas, como se muestra en la Figura 1.

(b) ¿Es necesario un regulador lineal para proporcionar una tensión estable a mi carga sensible? Después de leer este artículo, deberías ser capaz de utilizar LTspice para comprender si es necesario un regulador LDO en la salida de tu convertidor buck, en función del nivel de tensión de rizado de salida buck tolerable en tu diseño. Además, este artículo proporciona un circuito de prueba de inmunidad al ruido de la fuente de alimentación, o PSRR, configurable.

Convertidor Buck para sensores

Los sensores de vibración MEMS suelen estar alojados en pequeñas carcasas metálicas, normalmente de 20 a 30 mm de diámetro y de 50 a 60 mm de altura. Los sensores con cadenas de señales digitales suelen ser alimentados por una cadena de 9 V_DC a 30 V_DC en cables largos y consumen menos de 300 mW. Se necesitan soluciones de potencia minúsculas que encajen en este pequeño paquete, con alta eficiencia y un amplio rango de entrada.

Los LT8618, LT8618-3.3 y LT8604 son reguladores de conmutación reductores, compactos y de alta velocidad, ideales para aplicaciones de sensores MEMS. Ya están disponibles los modelos LTspice para el LT8618 y el LT8618-3.3. La regulación del LT8618 ofrece un rizado de salida muy bajo, con menos de 10 mV p-p. Sin embargo, la resistencia parasitaria y la inductancia de la batería de condensadores de salida pueden aumentar esta ondulación, lo que provoca emisiones conducidas no deseadas en el circuito buck. El ruido puede deberse a la carga capacitiva, al ruido de conmutación de la salida del regulador buck y a la capacitancia de acoplamiento entre el diseño de la placa de circuito impreso y el recinto del sensor.

Extracción y uso de valores parásitos

Las siguientes secciones describen cómo un ingeniero puede extraer los valores parasitarios de ESL y ESR de condensadores reales utilizando Würth REDEXPERT y simula el circuito con LTspice. En la entrada y la salida de muchos sistemas, los condensadores e inductores parásitos desempeñan un papel importante en el rendimiento de la EMI. Dividir las contribuciones parasitarias individuales ayuda al usuario a hacer la mejor elección cuando se trata de reducir la ondulación de salida del sistema.

La simulación de las emisiones conducidas para un convertidor buck se aborda utilizando un flujo de proceso LTspice y Würth REDEXPERT, como se muestra en la Figura 2. Normalmente, para un buck, la ondulación de salida está asociada a la relación señal-ruido (SNR), mientras que la ondulación de entrada está estrechamente relacionada con el rendimiento EMC.

Después de describir el enfoque de la simulación en la Figura 2, este documento proporciona mediciones reales de laboratorio y la correlación de la simulación utilizando la placa de demostración DC2822A LT8618.

Circuito de prueba LTspice con datos de Würth REDEXPERT

La tensión de rizado de salida de un convertidor buck es una función de la impedancia del condensador y de la corriente del inductor. Para mejorar la precisión de la simulación, se puede utilizar Würth REDEXPERT para seleccionar un condensador de salida de 4,7 µF (885012208040) y extraer la ESR y la ESL en función de la frecuencia. La ESL y la ESR se cargan a veces en el modelo de condensador LTspice, pero una rápida comprobación mostrará que la ESL se omite a menudo en los datos del condensador LTspice. Las figuras 3a y 3b muestran dos circuitos equivalentes: (a) con el condensador de salida de 4,7 µF y valores discretos de ESL y ESR, y (b) con el condensador Würth que incluye los parámetros de ESR y ESL.

REDEXPERT muestra la impedancia a lo largo de la frecuencia de muchos componentes, lo que permite determinar las principales parásitas de cada dispositivo pasivo. Estos valores parásitos pueden implementarse en los modelos LTspice, lo que permite evaluar individualmente la contribución a la ondulación total de la tensión.

Como ya hemos dicho, el LT8618 tiene un rizado de salida muy bajo, inferior a 10 mV p-p. Sin embargo, al simular los efectos de la carga capacitiva y el ESL, la tensión de rizado de salida es de 44 mV p-p. El condensador ESL contribuye significativamente al ruido en la frecuencia, como se muestra en el gráfico FFT de la Figura 4.

Evaluación de la conformidad EMI en la entrada del Buck utilizando un circuito LTspice LISN

Para evaluar el cumplimiento de la CEM en las instalaciones conducidas, la mayoría de las normas se basan en una red de estabilización de la impedancia de la línea (LISN) o en una red de potencia artificial (AMN). Estos dispositivos tienen una función similar y se colocan entre la alimentación del circuito y el dispositivo bajo prueba (DUT), en este caso el convertidor buck. El LISN/AMN está formado por filtros de paso bajo y paso alto. Los filtros de paso bajo proporcionan una vía para la alimentación de baja frecuencia (DC a unos cientos de Hz) al DUT. Los filtros de paso alto se utilizan para medir el ruido de las líneas de alimentación y de retorno. Estas tensiones se miden a través de resistencias de 50 Ω, como se muestra en las figuras 5 y 6.¹ En un laboratorio real, esta tensión se mide con un receptor EMI. Se puede utilizar LTspice para sondear las tensiones de ruido y trazarlas en el espectro de frecuencias de la prueba de emisiones conducidas.

Las emisiones conducidas pueden clasificarse como ruido en modo común (CM) y ruido en modo diferencial (DM). Es importante distinguir entre el ruido CM y el DM, ya que las técnicas de mitigación de la EMI pueden ser eficaces para el ruido CM pero no para el ruido DM y viceversa. Como las tensiones V1 y V2 se emiten al mismo tiempo, se puede utilizar un LISN para separar el ruido CM y DM en las pruebas de emisión conducida, como se muestra en la figura 6.¹

El ruido DM se genera entre el alimentador y la línea de retorno, mientras que el ruido CM se genera entre los alimentadores y el plano de referencia de tierra (como una mesa de pruebas de cobre) a través de una capacitancia parásita, C_STRAY. C_STRAY de hecho, modela las interferencias del ruido de conmutación en la salida del convertidor buck.

El circuito LTspice LISN de la figura 6 se ilustra en la figura 7. Para una mayor precisión de la simulación, se utilizan las inductancias L5 y L6 para modelar la inductancia de los cables de alimentación del LISN en el circuito de prueba. La resistencia R10 modela la impedancia del plano de tierra ranurado de la placa de pruebas. La figura 7 también incluye el condensador C10 que se utiliza para modelar C_STRAY. El condensador C11 modela la capacidad parásita entre la placa de circuito impreso del sensor y la carcasa mecánica del mismo.

Al ejecutar las simulaciones, LTspice debe configurarse para que tu circuito LISN alcance el estado estacionario más rápidamente, ya que una selección incorrecta de las condiciones de arranque puede provocar oscilaciones de larga duración.

Asegúrate de desmarcar Inicia las tensiones de alimentación de CC externas a cero y especifica un Condición inicial (de tensión y corriente) de los elementos del circuito, si es necesario.

La figura 8 muestra el ruido CM y DM mediante un gráfico LTspice FTT medido desde los terminales V1 y V2 del LISN. Para reproducir las operaciones aritméticas que se muestran en la figura 6, se restan V1 y V2 y se multiplican por 0,5 para el ruido DM, y se suma V1 a V2, multiplicando el resultado por 0,5 para el ruido CM.

Normalmente, las emisiones realizadas en un laboratorio se miden en dBµV, mientras que la unidad por defecto de LTspice es 1 dbV. La relación entre ambos es 1 dbV = 120 dBµV.

Por tanto, la expresión de LTspice para el ruido DM en dBµV es

y la expresión del ruido CM es

Adición de líneas límite de emisión conductoras

Los parámetros de visualización de la forma de onda FFT de LTspice pueden modificarse mediante el archivo de parámetros de trazado. Utilizando el menú FFT de LTspice, navega hasta Guardar la configuración de la parcela y haz clic en Guardar. El archivo de parámetros de trazado puede abrirse con un editor de texto y manipularse para añadir la línea límite de emisión conducida de la norma EN 55022 y el rango de frecuencias EMC correspondiente (de 10 kHz a 30 MHz) y la amplitud (de 0 dBµV a 120 dBµV).

Los límites de frecuencia y amplitud de la norma de emisiones conducidas EN 55022 pueden manipularse con Excel para obtener la sintaxis correcta para copiar y pegar en el archivo de parámetros de trazado de LTspice, como se muestra en la figura 9. La definición de la línea se puede pegar en los ajustes de la trama, como se muestra en la Figura 10. La figura 10 también muestra los parámetros de frecuencia X y amplitud Y.

La figura 11 muestra la línea límite de emisiones conducidas y las emisiones conducidas DM y CM del circuito buck. El circuito no supera la prueba de emisiones en la banda de frecuencia de 2,3 MHz a 30 MHz.

Reparación del convertidor Buck EMI

Para reducir el ruido DM del circuito, se puede colocar un condensador de muy baja ESL y ESR en el carril de entrada, como el C12 22 µF Würth 885012209006, como se muestra en la figura 12.

Para reducir el ruido CM, se puede seleccionar una reactancia de modo común Würth, como la 744235251 de 250 µH (serie WE-CNSW), de la biblioteca LTspice. El tamaño del envase de 4,5 mm × 3,2 mm × 2,8 mm es ideal para envases de sensores MEMS con limitaciones de espacio. La figura 13 muestra el gráfico de la FFT del buck fijo.

Correlación entre las mediciones reales de laboratorio y la simulación utilizando la placa de demostración DC2822A LT8618

Este artículo proporciona una guía para utilizar LTspice para la simulación de emisiones conducidas. Los métodos pueden utilizarse para cualquier circuito de convertidor buck. Ahora veremos la simulación y la correlación en el laboratorio de EMC utilizando la placa de demostración DC2822A LT8618, que se muestra en la Figura 14. La placa de demostración del DC2822A incluye varios condensadores de entrada y salida, que no se incluyeron en los modelos de simulación anteriores (por ejemplo, en la Figura 7 y la Figura 12). El modelo LTspice que se muestra en la Figura 15 incluye estos condensadores y los valores ESL y ESR de los condensadores obtenidos con Würth REDEXPERT.

La placa de demostración DC2822A incluye dos entradas de alimentación, VIN y VEMI. El raíl de alimentación de la entrada VIN pasa por encima de la cuenta de ferrita utilizada en la placa de circuito impreso. El modelo LTspice de la Figura 15 corresponde a la configuración VIN de la placa de demostración. La figura 16 muestra la FFT de la simulación LTspice, con emisiones en modo común justo por encima de la línea límite de emisión conducida de 2 MHz.

Para reducir el tiempo de simulación y optimizar la correspondencia entre la simulación LTspice y las mediciones de laboratorio de la placa de demostración DC2822A, se han realizado los siguientes cambios en la Figura 15 en comparación con los modelos anteriores (Figura 7 y Figura 12):

• No es necesario modelar la capacitancia de 100 pF entre la carcasa y la placa de circuito impreso. Sólo estamos modelando una placa de demostración DC2822A.
• Asumiendo desde el principio que el ruido de conmutación es despreciable en esta placa de circuito impreso bien diseñada. Anteriormente, estimamos 5 pF para el ruido de conmutación en la Figura 7 y la Figura 12.
• Ignorando la bajísima inductancia de los cables entre el LISN y la placa de demostración DC2822A.
• Se han añadido resistencias de 1 kΩ en paralelo con los inductores LISN de 50 µH para reducir el tiempo de simulación (se reduce el tiempo de asentamiento de LISN).

Con estas modificaciones en el circuito de la Figura 15, la Figura 17 muestra una comparación entre la simulación LTspice y la medición real de la placa de demostración DC2822A en un laboratorio de EMC. El modelo de simulación LTspice predice los principales picos de las emisiones reales del laboratorio con una precisión excelente.

Con la medición en el carril VEMI de la perla de ferrita (filtro EMI), la placa de demostración DC2822A supera fácilmente la línea límite de emisión conducida de 60 dBµV. De hecho, en las frecuencias más bajas, la placa de demostración DC2822A sólo presenta emisiones de 30 dBµV a 35 dBµV.

Inmunidad conducida

Los sensores de monitorización del estado de los cables tienen requisitos estrictos de inmunidad al ruido. Para la CbM en el sector ferroviario, la automatización y la industria pesada (por ejemplo, el procesamiento de la pasta de papel), las soluciones de sensores de vibración deben emitir menos de 1 mV de ruido para evitar que se dispare un nivel de vibración falso en la adquisición/controlador de datos. Esto significa que el diseño de la fuente de alimentación debe emitir muy poco ruido (baja ondulación de salida) en el circuito de medición (cadena de señales MEMS). El diseño de la fuente de alimentación también debe ser inmune al ruido acoplado al cable de alimentación (alta PSRR).

Como se ha mencionado anteriormente, el LT8618 puede presentar un rizado de salida de decenas de milivoltios debido a cargas capacitivas no ideales y al funcionamiento en ráfagas. Para las aplicaciones de sensores MEMS, el LT8618 requiere un regulador LDO de ruido ultrabajo y alta PSRR en su salida, como el LT3042.

Circuito de simulación flexible para la inmunidad al ruido (PSRR)

El circuito LTspice que se muestra en la Figura 18 puede utilizarse para simular la PSRR del LT3042. El modelo transitorio en el dominio del tiempo que se muestra en la figura 18 es una alternativa al método de barrido de CA. Este modelo en el dominio del tiempo es más flexible que el método de CA, e incluso permite simular la PSRR de un regulador de conmutación. El circuito de simulación barre los cambios en el carril de entrada de tensión en frecuencia y simula el cambio correspondiente en la tensión de salida. En otras palabras, la simulación evalúa la ecuación: PSRR_LT3042 = (cambio de V_EN)/(cambio de VO_UT) en la frecuencia.

La figura 18 contiene varias instrucciones potentes. La combinación de las instrucciones .meas y .step permite al usuario añadir una fuente de ruido de tensión a la entrada del LDO, y medir la PSRR del LDO sobre un cambio de paso en la tensión de entrada sobre la frecuencia.

declaraciones .meas

Esto permite al usuario medir el valor pico a pico de una señal durante un periodo determinado y enviarlo al registro de errores SPICE. La figura 18 mide la ondulación de entrada y salida, y calcula la PSRR de los datos medidos. Todo esto se envía al registro de errores de SPICE.

declaraciones de paso

El comando .step es útil para barrer una variable sobre un rango de valores en una sola simulación. La sentencia .step de la figura 18 barre la onda sinusoidal de la fuente de tensión V2 en un rango de 50 Hz a 10 MHz.

La tensión inicial del condensador de salida C2 puede ajustarse a 3,3 V para acelerar el tiempo de estabilización (y de simulación). Esto puede hacerse cambiando las propiedades del condensador y puede acelerarse aún más desactivando la función de ajuste de la tensión Inicia la tensión de alimentación externa de CC a 0 V en LTspice.

Utilizar el registro de errores de SPICE

Cuando la simulación haya terminado, haz clic con el botón derecho del ratón en una de las ventanas, selecciona la visualización y selecciona Registro de errores SPICE (o utiliza el atajo de teclado Ctrl+L). El sitio Registro de errores de SPICE contiene puntos de datos para las declaraciones .meas.

Para trazar los datos .meas, haz clic con el botón derecho del ratón en el registro de errores y selecciona los datos .meas del paso de trazado, haz clic con el botón derecho del ratón en la pantalla en blanco para seleccionar Añadir parcela (o utiliza Ctrl+A) y selecciona PSRR. Haz clic con el botón derecho del ratón en el eje x y marca el botón de opción para que se muestre con una escala logarítmica. Esto mostrará la PSRR en función de la frecuencia, como se muestra en la Figura 19.

No se aprecian algunos artefactos de la curva original de la hoja de datos del LT3042 (unos 2 MHz), pero la forma y los valores generales se aproximan a los de la hoja de datos.

La figura 20 muestra la ondulación de la tensión de salida en función de la frecuencia. Es inferior a 200 µV en el rango de 50 Hz a 10 MHz. El rizado de la tensión de entrada es de 1 V p-p en el mismo rango de frecuencia. El LT3042 ofrece una excelente PSRR y una fuente de alimentación de bajo ruido para soluciones MEMS sensibles al ruido.

El enfoque .meas que utiliza el registro de errores de SPICE puede utilizarse para simular muchos otros parámetros, como:

• PSRR de un regulador de conmutación
• La PSRR en función de la tensión de parada y la frecuencia
• PSRR frente a la red de derivación
• Ondulación de salida RMS frente a la entrada de CC
• Eficiencia en función del valor de los componentes

Resumen

Este artículo proporciona circuitos LTspice y métodos de simulación para trazar el ruido diferencial y de modo común en tu diseño de potencia del convertidor buck. Este documento permite al usuario trazar las líneas límite de las emisiones conducidas y ayuda a predecir los fallos del laboratorio de EMC. El enfoque de la simulación se valida mediante mediciones de laboratorio, con una estrecha correlación con la placa de demostración LT8618 DC2822A.

El uso del regulador LDO LT3042 a la salida del convertidor buck LT8618 proporciona una solución de muy bajo ruido y alta PSRR para aplicaciones de sensores MEMS. Un circuito de simulación flexible para la PSRR muestra una buena concordancia con la hoja de datos del LT3042. El LT3042 simula con una ondulación de salida de menos de 200 µV en el rango de 50 Hz a 10 MHz, incluso en presencia de un gran ruido de tensión de entrada de 1 V p-p.

Referencias

¹ Ling Jiang, Frank Wang, Keith Szolusha y Kurk Mathews. "Un método práctico para separar las emisiones en modo común y en modo diferencial en las pruebas de emisiones conductivas" Diálogo analógicovol. 55, nº 1, enero de 2021.

² Gabino Alonso. "LTspice: Uso de los comandos .MEAS y .STEP para calcular la eficiencia" Analog Devices, Inc.

Agradecimientos

Los autores desean agradecer al Grupo de Productos de Potencia de Analog Devices y a Würth Elektronik su contribución a este trabajo.