Gestión de EMC en aplicaciones de carga

Imagínese como parte de un equipo de ingenieros especializados en el diseño de cargadores. Llega un nuevo proyecto. ¿Cómo se asegura de que el diseño final pasará las pruebas estándar de EMC la primera vez?

Un primer paso típico es interpretar los estándares EMC relevantes que son aplicables a la aplicación específica. (Los estándares de calidad, seguridad y medio ambiente son igualmente o más importantes, pero no están dentro del alcance de esta discusión). Si el producto es un cargador rápido para teléfonos móviles y computadoras portátiles, se deben observar los estándares comerciales de EMC. Los estándares de EMC automotriz deben aplicarse si el producto es un cargador a bordo (OBC) utilizado en un vehículo eléctrico. Si se trata de un producto basado en la transferencia de energía inalámbrica (WPT), se deben consultar los estándares pertinentes y estar alerta a los cambios, ya que los estándares aún se están desarrollando.

Como ejemplo, la Tabla 1 enumera los requisitos típicos de prueba de EMC que se aplican a un OBC.

Una vez que la empresa de diseño y su cliente han acordado los requisitos, sigue el proceso de diseño. Este proceso de diseño generalmente sigue un enfoque por etapas, como se muestra en la Figura 1. Se recomienda enfáticamente que las revisiones de diseño de EMC se realicen en cada etapa del diseño de un producto y que las pruebas preliminares se organicen tan pronto como el prototipo de PCB esté listo. . Es quizás la única forma de garantizar un control EMC estricto para evitar cambios de diseño importantes en una etapa de diseño posterior.

Figura 1: Un proceso de diseño típico que muestra las etapas de diseño

En este artículo, analizamos cómo implementar la administración de EMC durante la etapa de diseño y desarrollo mediante demostraciones prácticas.

En la etapa de concepto, los ingenieros evalúan y seleccionan la topología de un convertidor de carga en función de los requisitos del producto. Es fundamental revisar el diseño teniendo en cuenta la compatibilidad electromagnética. Una topología popular de convertidores de potencia para aplicaciones de carga es una etapa de corrección del factor de potencia (PFC) seguida de un circuito resonante. Los circuitos PFC comunes incluyen convertidores elevadores intercalados, convertidores de tótem sin puente y convertidores de tótem intercalados. Los circuitos resonantes populares son un LLC, un convertidor de puente completo con cambio de fase con rectificador duplicador de corriente, etc. La Figura 2 ilustra la topología del convertidor de un OBC de 12 kW (para fines de demostración, solo se muestra el riel 1 del convertidor).

Figura 2: esquemas de un cargador a bordo de 12 kW (los rieles 2 y 3 no se muestran en este diagrama)

Es fundamental contar con una etapa PFC para mejorar el factor de potencia de la red y lograr una menor distorsión armónica total (THD) durante el estado de carga. Sin el PFC, la carga, especialmente la carga rápida, consume una corriente máxima alta en el pico de voltaje y casi ninguna corriente durante el ciclo de red restante. Esto da como resultado un flujo de corriente excesivamente alto en los conductores principales, las líneas de transmisión de energía y los transformadores de energía.

En el ejemplo que se muestra en la Figura 3, se selecciona un PFC de tótem de impulso intercalado porque la topología de dos rieles intercalados logra una clasificación de corriente reducida a la mitad por medio puente. Esto da como resultado la cancelación de la corriente de ondulación tanto en la entrada como en la salida de la etapa PFC. Como resultado, esto reduce el tamaño del capacitor a granel y disminuye el impacto EMC del PFC. Pero este enfoque aumenta el número de dispositivos de conmutación y la complejidad del control. (La referencia 1 ofrece un estudio de comparación detallado entre diferentes topologías de PFC pero no se enfoca en el análisis de rendimiento de EMC).

Figura 3: Uno de los beneficios de usar una topología de tótem intercalada es la cancelación de la corriente de ondulación

Es trabajo del ingeniero de diseño seleccionar la topología de PFC en función de la aplicación prevista. La decisión debe basarse en las compensaciones entre eficiencia, facilidad de fabricación, costo, peso, consideraciones térmicas y EMC. La topología también depende de la potencia nominal de las aplicaciones. Por ejemplo, si se trata de un dispositivo de carga rápida para una computadora portátil o un teléfono móvil, la topología de PFC será un PFC de refuerzo simple sin intercalado. También se pueden ver una serie de compensaciones cuando se trata de seleccionar la etapa del convertidor resonante. Cabe señalar que la conmutación de voltaje cero (ZVS) ha sido ampliamente utilizada para convertidores resonantes. Cuando se diseña correctamente, ZVS proporciona mejoras de circuito significativas en la conmutación de voltaje cero y otras áreas, como la reducción de corrientes de modo común.

La referencia 2 analiza la importancia de seleccionar los tipos correctos de dispositivos electrónicos de potencia. Para las aplicaciones de carga, elegir los dispositivos correctos es esencial para lograr un diseño compacto y cumplir con los requisitos de EMC. Entre los dispositivos de elección, los dispositivos de banda prohibida ancha, como los dispositivos de nitruro de galio (GaN), se ven ampliamente en aplicaciones comerciales, como cargadores rápidos para computadoras portátiles y teléfonos, mientras que los dispositivos de carburo de silicio (SiC) son dominantes en las aplicaciones de alto voltaje y alta potencia, como OBC utilizados en vehículos eléctricos.

Como se muestra en la Figura 4, la mayoría de los dispositivos de GaN están montados en superficie con circuitos de controlador integrados, mientras que la mayoría de los SiC son dispositivos discretos de orificio pasante debido al alto nivel de potencia. Aunque los dispositivos D2PAK SiC están disponibles, no son la opción favorita de un ingeniero de diseño, principalmente debido a las diferentes características térmicas asociadas con el paquete.

Figura 4: Los dispositivos de brecha de banda ancha, como los FET de GaN y SiC, se ven ampliamente en aplicaciones de carga

Los dispositivos de orificio pasante son robustos, de bajo costo y disfrutan de mejores características térmicas y, por lo tanto, se usan ampliamente en aplicaciones de alto voltaje y alta potencia. Pero, para EMC, no son tan buenos como los dispositivos montados en superficie porque los cables extra largos del paquete introducen una mayor inductancia.2 Al ser físicamente altos, también irradian de manera más eficiente en comparación con los dispositivos montados en superficie. El diseño térmico alrededor de estos dispositivos es crucial, ya que los disipadores de calor suelen ser mucho más grandes que los propios dispositivos. Si el disipador de calor no está bien conectado a tierra, puede radiar mucho más en un rango de frecuencia más bajo (30-300 MHz).3

Además de los dispositivos de conmutación, los componentes magnéticos, como el transformador utilizado en la etapa del convertidor resonante, también deben diseñarse teniendo en cuenta las consideraciones de EMC. La eficiencia del sistema es siempre el factor de diseño más importante. Por lo tanto, las pérdidas de un transformador (incluidas las pérdidas en el núcleo, las pérdidas en el cobre, el efecto pelicular y el efecto de proximidad) a menudo reciben una consideración importante durante la etapa de diseño. El esquema ZVS también requiere un núcleo saturable del transformador y prefiere una mayor inductancia de fuga. Esto significa que a menudo se pasa por alto el diseño EMC de un transformador.

Un escudo electrostático simple a menudo puede ayudar a reducir la corriente de modo común cuando se agrega al transformador.4 El escudo debe conectarse a 0 V en el lado primario y debe mantenerse lo más delgado posible para minimizar la pérdida de corriente parásita debido al efecto de proximidad. Un segundo escudo en el lado secundario mejora aún más el rendimiento de EMC, pero a un costo de fabricación adicional.

Otras técnicas en el diseño del transformador incluyen la cancelación de corriente de modo común o el llamado balance de corriente de modo común basado en un diseño de estructura de devanado único.5 Cabe señalar que el diseño del transformador también es la clave para optimizar el ZVS del convertidor.

Durante la revisión del diseño, se deben evaluar los pros y los contras de la selección de cada componente. La eficiencia, el tamaño y el costo son a menudo los factores clave en la selección de componentes. Pero la comparación también debe tener en cuenta las consideraciones de EMC. Por ejemplo, los ingenieros a menudo seleccionan componentes para lograr el mejor factor de forma y el costo mínimo, solo para descubrir que es necesario agregar un filtro pesado, voluminoso y costoso en una etapa posterior porque los interruptores/transformadores seleccionados crean demasiados Problemas de EMI. Si el problema se hubiera resaltado temprano durante la etapa de selección de componentes, el tiempo y el costo totales podrían haberse reducido.

Durante la revisión esquemática, se debe prestar atención a las siguientes áreas:

Cuando se trata de la revisión del diseño, el diablo está en los detalles. Una revisión del diseño puede costar fácilmente unos días con ingenieros de diseño de múltiples disciplinas involucradas. Los condensadores de desacoplamiento, las ubicaciones de los filtros, los conectores, las trazas, las vías y más necesitan un escrutinio en la etapa de revisión.

En la Figura 5 se muestra un ejemplo. Para disipar el calor generado por los dispositivos de GaN, a menudo se utilizan una gran área de cobre y vías térmicas. Esta es una característica de diseño generalmente favorecida tanto por los ingenieros electrónicos como por los ingenieros térmicos, ya que las grandes áreas de cobre disipan el calor de manera más eficiente, logrando así una conversión de mayor eficiencia. El nodo de conmutación de un medio puente conecta el nodo de origen de un dispositivo y el nodo de drenaje del otro. Pero tener un área de cobre grande aumenta efectivamente el tamaño del nodo de conmutación, lo que hace que la emisión sea peor y más difícil de contener. Este riesgo relacionado con EMC debe resaltarse en la etapa de diseño del diseño y debe diseñarse un plan de mitigación. En este caso, un posible plan de mitigación sería utilizar una lámina de aluminio/cobre sobre los dispositivos. Esta lámina ayuda a disipar el calor al mismo tiempo que protege el nodo de conmutación. Este plan de contingencia puede luego implementarse y probarse en la etapa de empaque y mecánica.

Figura 5: El uso de una gran área de cobre debajo del nodo del interruptor podría provocar una peor EMI, un escudo sobre los dispositivos es beneficioso tanto para la temperatura como para la EMC

Se debe realizar una prueba preliminar tan pronto como esté listo el primer prototipo de PCB. Es cierto que el rendimiento de EMC de un producto depende del diseño y el empaque, y el perfil de ruido de un producto final será diferente al de una sola PCB. Sin embargo, un ejercicio de prueba de campo cercano en una etapa temprana a menudo puede indicar señales de alerta y obtendrá beneficios al final del proceso de diseño.

A nivel de PCB, se pueden realizar dos pruebas de banco simples. El sondeo de campo cercano, como el uso de un bucle de campo magnético sobre el área de la PCB, puede localizar la fuente de ruido (consulte la Figura 6). El perfil de ruido es generalmente una buena indicación de las emisiones conducidas y radiadas.6 Como se muestra en la Figura 7, medir la corriente de modo común en los cables usando una sonda de monitoreo de corriente de RF es otra forma eficiente de predecir las emisiones conducidas y radiadas de la PCB bajo investigación.7

Figura 6: El uso de una sonda magnética de campo cercano sirve como una forma rápida de probar el rendimiento de EMC de la PCB

Figura 7: Uso de una sonda de monitoreo de corriente de RF para medir la corriente de modo común en los cables de la PCB

El embalaje del producto final a menudo se considera un trabajo mecánico. En esta etapa, se ensambla el producto final y se aplica el diseño térmico. Los ensamblajes de PCB podrían implicar el apilamiento de PCB, el apilamiento de PCB en separadores al chasis, la conexión de cables de PCB, las conexiones de PCB a los conectores del chasis, etc. En el diseño térmico, para aplicaciones de pequeña potencia, esto significa aplicar pasta/pegamento térmico y almohadillas Para aplicaciones de gran potencia, esto significa implementar disipadores de calor y tuberías de refrigeración líquida.

Los desafíos clave en esta etapa son minimizar la impedancia de la conexión. Por ejemplo, la altura de los separadores determina la inductancia entre las PCB y el chasis. Por lo tanto, desde el punto de vista de EMC, son preferibles varios puntos de separación más cortos, una preferencia que también suelen respaldar los ingenieros mecánicos2. Sin embargo, con PCB apilados, podrían ocurrir resonancias de cavidad, y en las referencias 8 y 9 se pueden encontrar formas de eliminar el riesgo de estructuras de resonancia.

Los disipadores de calor deben conectarse a 0 V o rieles de alimentación para evitar que irradien emisiones. Los blindajes como el blindaje de aluminio/cobre presentado anteriormente también deben unirse al plano de 0 V para que funcionen para EMC.3 (para el diseño térmico, no es necesario unirlos a ningún punto).

Las dos pruebas de EMC más importantes para aplicaciones de carga son las emisiones conducidas y radiadas. Siempre es una buena práctica probar los productos en una configuración de prueba de EMC de cumplimiento previo antes de enviar la unidad para una prueba de cumplimiento formal. La buena noticia es que las pruebas previas al cumplimiento de las emisiones conducidas y radiadas se pueden realizar en una mesa de trabajo a un costo relativamente bajo.

Dependiendo de la clasificación de potencia del dispositivo bajo prueba, se pueden usar LISN con clasificación de potencia adecuada para las pruebas de emisiones conducidas. Debido a que es una aplicación de alto voltaje, la seguridad de alto voltaje debe tener prioridad al configurar una configuración de prueba de cumplimiento previo. El uso de un transformador de aislamiento y la puesta a tierra del plano de tierra de prueba a tierra de seguridad son absolutamente necesarios para garantizar el funcionamiento seguro de la prueba de emisiones conducidas. La figura 8 muestra una configuración de banco de emisiones conducidas de cumplimiento previo para un producto en desarrollo que utiliza interruptores de GaN.

Figura 8: Se está probando un cargador rápido contra emisiones conducidas en una configuración de prueba previa al cumplimiento

A menudo se utiliza una celda electromagnética transversal abierta (TEM) para determinar los patrones radiados de un dispositivo bajo prueba. Cabe señalar que la configuración de una celda TEM no proporcionará exactamente los mismos resultados cuantitativos que una medición con antenas de campo lejano. Debido a limitaciones de espacio, a menudo se enrollan cables más largos dentro del espacio de la celda TEM, lo que también afecta el perfil de emisión radiada. No obstante, el uso de una celda TEM ha demostrado ser una forma efectiva de predecir las emisiones radiadas de un DUT.

Como se muestra en la Figura 9, se coloca un OBC dentro de la celda TEM. Para dibujar un perfil de emisión completo del DUT, se deben colocar tres orientaciones ortogonales principales del DUT.10 Pero esto también ilustra las limitaciones de usar una celda TEM para probar productos de gran potencia nominal como en OBC debido a la altura del espectro. de una celda TEM (en este caso, esta celda TEM tiene una altura de espectro de 15 cm). Por lo tanto, en este caso, solo se prueba una orientación del DUT. Sin embargo, para aplicaciones de carga de electrodomésticos, un dispositivo bajo prueba es lo suficientemente pequeño como para probarse con las tres orientaciones ortogonales principales.

Figura 9: Se está probando un OBC para aplicaciones automotrices contra emisión radiada en una celda TEM

Con suerte, en esta etapa, los resultados de cumplimiento previo brindan un alto nivel de confianza de que el dispositivo pasará las pruebas de emisión. Sin embargo, si se resaltan las banderas rojas, los ingenieros pueden volver a la etapa anterior para elaborar un plan de resolución de problemas que eventualmente abordará los problemas destacados.

Siempre existe cierto grado de incertidumbre cuando se trata de las pruebas finales de EMC. Pero, al seguir el proceso de administración de EMC descrito en este artículo, no debería haber grandes sorpresas. El proceso ayuda a garantizar que todos los aspectos EMC previsibles se hayan considerado y abordado durante el proceso de diseño. Las notas de las reuniones de cada revisión de diseño deben estar bien documentadas en una evaluación de riesgos de EMC. La evaluación de riesgos de EMC sirve como evidencia convincente de que la empresa al menos ha intentado abordar los problemas de EMC.

aplicaciones de cargacumplimientodiseñoemcemc designMin Zhang

El Dr. Min Zhang es el fundador y consultor principal de EMC de Mach One Design Ltd, una empresa de ingeniería con sede en el Reino Unido que se especializa en consultoría, solución de problemas y capacitación de EMC. Su profundo conocimiento en electrónica de potencia, electrónica digital, máquinas eléctricas y diseño de productos ha beneficiado a empresas de todo el mundo.

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