Interferencia electromagnética en el convertidor

Creo que lo que quiere preguntar es cómo el DERIVATIVO (es decir, dv / dt y di / dt) de la corriente y el voltaje pueden afectar la EMI.

La derivada de esas cantidades representa (por supuesto) la tasa de cambio. Una alta tasa de cambio implica altas frecuencias. Los bordes rápidos implican muchos armónicos.

Una fuente de conmutación intentará minimizar el tiempo en que el interruptor de alimentación está en la región lineal al cambiar muy rápidamente. También puede intentar minimizar el tamaño del magnetismo cambiando a una frecuencia alta. 100 kHz a varios MHz no es infrecuente, con tiempos de aumento y caída en los nanosegundos. Las formas de onda de conmutación de alimentación, como la tensión del nodo de conmutación y la corriente del inductor (por ejemplo) son capaces de emitir y emitir EMI.

Esto se debe a que las señales de alta frecuencia tienden a irradiarse más fácilmente y se conducen más fácilmente, por ejemplo. Capacitivamente a otros circuitos.

  

¿Cómo puede la derivación de la corriente y el voltaje afectar la producción de EMI?

• dv / dt

Si un nodo de su circuito se acopla en otro a través de la capacitancia, la cantidad de corriente inyectada a través de la capacitancia parásita será proporcional a dv / dt. Esto se debe simplemente a que la corriente en un capacitor es \ $ C dv / dt \ $. Si se conoce la impedancia del nodo víctima, entonces se desarrollará una tensión proporcional a esta impedancia y corriente a través de la tapa parasitaria.

= > Si un nodo tiene di / dt alto, no debería tener un área grande que forme grandes capacidades parásitas con todo lo que esté cerca.

Es por esto que sería una muy mala idea tener, digamos, el disipador de calor de su MOSFET de potencia conectado al drenaje sin aislamiento. Un gran disipador térmico con grandes oscilaciones de voltaje y un alto dv / dt se acoplará en cualquier cosa cercana a través de la capacitancia parásita. Del mismo modo, las trazas cercanas que llevan señales rápidas se interceptarán en función de los bordes dv / dt.

• di / dt

Un bucle de corriente crea un flujo magnético que es proporcional a la corriente. Este flujo inducirá una tensión en los bucles cercanos (trazas de PCB, etc.). Este voltaje es proporcional a la derivada del flujo (y, por lo tanto, a la derivada de la corriente). Por lo tanto, la cantidad de acoplamiento magnético es proporcional a di / dt en el bucle fuente.

= > Si un bucle tiene di / dt alto, debe ser lo más ajustado posible, ya que el flujo radiado (y por lo tanto EMI) es proporcional al área del bucle.

Además, recuerde que algunas de las características de su circuito son las antenas de bucle, las antenas de ranura, las antenas de dipolo, etc. Éstas mejorarán en la transmisión de ruido a ciertas frecuencias, dependiendo de cómo resuenen, sus dimensiones en función de la longitud de onda de la señal, etc. Alta di / dt o dv / dt significa que su señal contendrá muchos más armónicos de alta frecuencia, por lo que tendrá una mayor probabilidad de excitar alguna resonancia en algún lugar y convertir una parte inocente de su circuito en una antena sintonizada.

Para cualquier corriente de pico dada, el contenido de frecuencia del espectro de frecuencia de la forma de onda "capaz de interferencia" (formé ese término) es directamente proporcional a la tasa de cambio de la forma de onda. Un di / dt alto significa un aumento / disminución muy rápido de la corriente y, por lo tanto, del campo que rodea al couductor. El cálculo de Fourier se relaciona con el ancho de banda y el contenido armónico.

Una fuente de alimentación de línea tiene una frecuencia fundamental de 50-60 Hz, con los armónicos causados por la corriente de carga del condensador no sinusoudal que se extiende a unos pocos kHz. Todo eso está por debajo del límite inferior de 10 kHz, por ejemplo, de las reglas de EMI y RFI de la FCC. Un conmutador de 100 kHz tiene mucho más ruido radiado y conducido porque ninguna de las corrientes son senos o senos distorsionados; Son ondas cuadradas, pulsos y espigas inductivas. Estas formas de onda tienen una energía armónica mucho más relativa a la fundamental, y toda esa energía se encuentra en áreas del espectro ocupadas por otras cosas. Es relativamente fácil para un conmutador de 100 kHz fallar las pruebas de FCC o MIL-STD-461 a 2 MHz y superiores.

Busque en las páginas web de Fourier Transform para ver la relación entre la forma de onda y el contenido armónico.

Este es un ejemplo de cómo el SlewRate, del campo magnético HFI y del campo eléctrico EFI, define el nivel de interferencia. En esta simulación, tenemos

(1) SwitchReg generador de HFI, 10 mm desde la línea de señal

(2) Reloj de microcontrolador generador de EFI, 1 mm desde la línea de señal

Si el botón de Gárgolas está desactivado, la SNR (arriba a la derecha) es 99dN. Si las Gárgolas (las 4 fuentes interferentes, de las cuales solo 2 HFI y EFI están activadas) están activadas, SNR es de 27 dB. La traza de la víctima es de 100 mm de largo y 1 mm por encima de un plano, y un ancho promedio de 0,95 mm. La longitud de traza predeterminada es 10 mm; Utilicé el Asistente de cableado (habilitado para la edición local) para aumentar la longitud a 100 mm (4 pulgadas).

Ese 100 mm * 1 mm es el área del bucle vulnerable a la interferencia inducida magnéticamente.

Que 100 mm * 0,95 mm es el área de la placa vulnerable a las interferencias inducidas eléctricamente.

Aquí está la simulación:

yaquíespartedelinformedetexto"Detalles del análisis" (extremo derecho)

¿Cómosehaceesto?Hagacliceneltexto"HFI" y examine la tabla en busca de agresores magnéticos. Del mismo modo, haga clic en el texto "EFI" y examine la tabla de agresores eléctricos. En cada tabla, una columna "SlewRate" proporciona ese parámetro clave para el voltaje inyectado (para magnético) y la carga (para eléctrico).

Aquí está la tabla HFI

y aquí está el HFI math utilizado en Signal Chain Explorer

Vinduce = [2e-7 * Área / Distancia] * dI / dT

En esta Cadena de señales, el ADC tiene la entrada R y el muestreo C, por lo que es un filtro de paso bajo, respuesta de desmontaje. También el sensor tiene una ruta de 1.000 ohmios. El sistema F3dB es de 9MHz, lo suficientemente bajo como para afectar las respuestas de HFI y EFI.

La densidad espectral se puede medir con la visualización de amplitud de registro de un analizador de espectro. Esa es la parte de amplitud de un análisis de Fourier que también incluye la fase.

A continuación se muestra una simulación utilizando un "fallo técnico" dibujado a mano a 1 kHz. El ancho de banda (BW) tiene muchos armónicos de la frecuencia de repetición del pulso aquí a 1 kHz. Solo disminuyen en amplitud a partir de un tiempo de subida limitado y luego, rápidamente, hay un nulo donde una onda sinusoidal que se ajusta dentro del ancho del pulso. Como dibujé un pulso con un ciclo de trabajo de aproximadamente el 2,5%, la amplitud pasa por un valor nulo cercano a 1 / (2,5%) o el armónico 40.

El tiempo de subida, Tr se mide de 10 a 90% aquí. Esto puede deberse a la velocidad de respuesta Vc = I C dV / dt de los impulsos de corriente que cargan un capacitor o I = L dI / dt o los picos de voltaje que liberan una corriente del inductor rápidamente.

\ $ f _ {- 3dB ~~ BW} = 0.35 / T_r \ $

Ahora puede comprender cómo la velocidad de respuesta afecta el ancho de banda.

La amplitud es como el brillo de una luz que cae rápidamente si su ojo está cerca de la fuente y luego de manera más gradual según el área de una esfera con el radio o la relación cuadrada inversa. La visualización logarítmica comprime la señal por conveniencia cuando queremos medir la relación señal a ruido en dB.

La efectividad de emitir ruido o suprimirlo depende del cable o área de la superficie, las dimensiones en longitud o área y la proximidad con la pérdida del cuadrado inverso.

Debido a que la capacitancia parásita es pequeña, su impedancia disminuye con el aumento de las frecuencias, por lo que son estas las que se atenúan menos en un cable de señal cercano.