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EMC tutorial session for switchmode power supply comducted emi mitigation
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Relatori: Andrea VolpiniIng. Stefano FabianiIng. Manuele
Marconi Roberto Volpini
Giovedì 18 giugnoHotel Cristoforo Colombo Ancona
Teoria e tecnica della riduzione delle emissioni condotte
• Accenni di teoria sui filtri• Filtro LC ideale• Filtri LC reali• Damping di un filtro LC ideale• Filtri usati negli SMPS e filtraggio di modo comune• Accenni di problemi al controllo degli SMPS dovuti all’inserimento di un filtro EMI
Manuele Marconi 2
Accenni sulla teoria dei filtri
Cominciamo col mostrare che per una rete lineare passiva la funzione di trasferimento in tensione da sinistra a destra è uguale alle funzione di trasferimento in corrente da destra a sinistra. Esempio con filtro di modo differenziale
112)( 1
1
)(
)()(
CLssV
sVsH
in
outdxsxv
11
2)( 1
1
)(
)()(
CLssI
sIsH
in
outsxdxi
Un disturbo di corrente proveniente da destra (ad esempio rumore di commutazione di un SMPS) necessita di trovare una impedenza serie verso la rete, e di un percorso alternativo a bassa impedenza su cui richiudersi
3Manuele Marconi
Filtro LC ideale (1)
Vediamo ora la risposta in frequenza di un semplice filtro ideale del secondo ordine.
Dalla teoria sappiamo che la frequenza di taglio del filtro vale 1/SQRT(L1C1) e che essendo un passa-basso del 2° ordine la pendenza oltre la ft va con -40dB/dec. Le resistenze sono rispettivamente l’impedenza d’uscita del generatore e l’impedenza d’ingresso del ricevitore.
kHzCL
ft 802
1
11
In DC, l’induttanza è un corto circuito e il condensatore un circuito aperto
dBH DC 6)5050
50(log20 10)(0
La ft è definita a -3dB rispetto al valore dell’attenuazione in DC
4Manuele Marconi
Filtro LC ideale (2)
Il grafico illustra il modulo della risposta in frequenza (chiamato “risposta d’ampiezza”) per il filtro ideale.
kHzCL
ft 802
1
11
dBH DC 6)5050
50(log20 10)(0
decdB /40
5Manuele Marconi
Filtro LC reale (1)
Dopo aver realizzato il filtro, ne è stata misurata l’attenuazione con l’analizzatore di spettro.
0dB
decdB /40
kHzCL
ft 802
1
11
Che cosa sono?
6Manuele Marconi
Filtro LC reale (2): I parametri parassiti dei componenti
misurataI componenti reali esibiscono parametri parassiti che pregiudicano un buon andamento alle alte frequenze del filtro LC
Per l’induttore:
MHzCL
fres 82
1
11
Per il condensatore:
MHzCL
fres 5.22
1
22
Inoltre tali parametri parassiti si combinano vicendevolmente dando luogo ad altri massimi e minimi nella risposta d’ampiezza del filtro
7Manuele Marconi
Filtro reale LC (3). Una prova pratica
Per dimostrare che effettivamente il primo picco di risonanza è relativo al condensatore, sono state ripetute altre 2 misure del filtro sostituendo solo l’induttore.
Ancora, vediamo come il primo picco di risonanza sia rimasto invariato, mentre il secondo picco di risonanza si sposta in frequenza a seconda del valore induttivo. Sono diverse anche le frequenze di taglio e il comportamento in alta frequenza (rosso il migliore)
8Manuele Marconi
Tecniche di ottimizzazione del filtro LC reale
Iniziamo con una analisi in s (solo accenni) della risposta d’ampiezza del filtro reale per vedere quali parametri parassiti sono responsabili del comportamento sfavorevole del filtro reale
2222
22
222
2 1)(
1)(
CLs
sLsZ
sL
CLssY
1
112
111
1)(
sC
CLsCsRsZ
)1)(1(
)1)(1()(
112
11222
122
222
112
11
CLsCsRCLsCLs
CLsCLsCsRsH
es. di 2 zeri coincidenti
9Manuele Marconi
Tecniche di ottimizzazione del filtro LC reale (2)
Guardando l’espressione della FDT (parzialmente fattorizzata) si vede che ci sono 4 poli e 4 zeri di trasferimento. Se fattorizzassimo ulteriormente vedremmo che i 4 poli sono coincidenti a coppie e 2 zeri sono coincidenti (a questi corrisponde rispettivamente un cambiamento di slope -2 e slope +2)
Diagramma di Bode asintoticoDoppio polo (A)
Doppio zero (D)
Doppio polo (E)
zero (C)
zero (B)
kHzCL
ff tA 6302
1
12
kHzCR
ff ESRB 5.22
1
11
kHzL
Rff ESLC 200
2 1
1
MHzCL
fD 22
1
22
MHzCL
fE 562
1
21
FDT ideale
10Manuele Marconi
Tecniche di ottimizzazione del filtro LC reale (3)
Come agire per minimizzare l’influenza dei parassiti:
• Ridurre la capacità parassita dell’induttore (aumentare il più possibile la distanza tra inizio e fine della bobina, strato singolo. Esiste anche capacità avvolgimento-nucleo!)
• Ridurre ESL del condensatore mettendo più condensatori più piccoli in parallelo (se si vuole mantenere lo stesso ESR)
• Fare un doppio stadio con un piccolo induttore tra alcuni dei condensatori parallelati
11Manuele Marconi
Tecniche di ottimizzazione del filtro LC reale (4)
A B
C originale
AB
C
Manuele Marconi
Approfondimento. Damping (smorzamento) di un filtro LC ideale.
Un filtro LC risuona naturalmente alla sua frequenza di taglioLC
ft 21
Il generatore I1 modella il convertitore che produce una corrente di rumore di modo differenziale verso il filtro.L’impedenza della rete di distribuzione dell’energia è molto bassa, approssimata da un corto circuito
Un filtro LC non smorzato presenta un picco molto pronunciato a ridosso della sua frequenza di taglio
13Manuele Marconi
Un picco di risonanza come quello in figura può essere molto dannoso sia per prestazioni del filtraggio che per la funzionalità del convertitore a valle. Infatti:
a.L’applicazione di un alto gradino di tensione di rete potrebbe causare un ringing sulla tensione di C2 fino al massimo valore teorico di 2Vin, con la possibilità di danneggiare il convertitore a valle.
b.Tutte le componenti di rumore ad alta frequenza presenti sulla rete sono amplificate dal filtro alla frequenza di risonanza del fattore Q verso il convertitore a valle.
c.L’impedenza d’uscita del filtro cresce alla frequenza di risonanza (bump della Zout) se non smorzato, causando possibili oscillazioni con l’impedenza d’ingresso del convertitore a valle
Approfondimento. Damping (smorzamento) di un filtro LC ideale. (2)
14Manuele Marconi
Approfondimento. Damping (smorzamento) di un filtro LC ideale. (3)
Un buon damping iniziale può essere:
21 CC 45021 C
LR
15Manuele Marconi
Filtri per SMPS. Rumore prodotto dalla commutazione.Il funzionamento di un SMPS produce rumore di modo differenziale e rumore di modo comune
Modo differenziale.E’ prodotto dalla normale natura pulsante della corrente (di/dt rapidi) negli switch di potenza. E’ presente sia in ingresso che in uscita.
Modo comune.E’ prodotto da accoppiamenti capacitivi di rapidi dV/dt. Il percorso di ritorno è in genere la massa metallica del contenitore
16Manuele Marconi
Filtri per SMPS. Percorsi delle correnti di MC e MD.
In figura sono evidenziati i percorsi della corrente di modo differenziale e di modo comune in ingresso all’SMPS
LISN 2P+T Poiché la corrente di MC circola “esternamente” alla maglia d’ingresso formata dai soli conduttori di linea e neutro, è della massima importanza il setup di misura, specie se il rumore di commutazione ha forte caratterizzazione di modo comune
17Manuele Marconi
Filtri per SMPS. Percorsi delle correnti di MC e MD (2)
Come evidenziato in figura, sul terminale di fase si sta misurando la somma vettoriale MC+MD della corrente di rumore, mentre sul terminale di Neutro la somma vettoriale MC-MD. E’ possibile separare in misura tramite opportuni circuiti il contributo della corrente di MC e di MD, ma la normativa non lo specifica. Per il progettista è invece utile saperlo perché ci sono strategie diverse per far fronte ai due casi.
E’ importante misurare il rumore totale sia su Fase che su Neutro perché sono possibili percorsi multipli della corrente di rumore all’interno del circuito, e pertanto non si può assumere che il contributo di modo comune e quello di modo differenziale siano identici sulla Fase e sul Neutro
18Manuele Marconi
Filtraggio della corrente di modo comune
Esempio di accoppiamento capacitivo su SMPS forward single-ended
Si suppone un rise e un fall-time di 100ns, una frequenza di switching di 200kHz Vin=200V. Np=Nr. Il MOS è in package TO-220 dissipato a terra e isolato con mica (~12pF di capacità parassita tipica)
mAt
VCI ppk 48
VV RMSd 200,
19Manuele Marconi
Filtraggio della corrente di modo comune. Percorso di richiusura della corrente
La corrente di MC si richiude dentro la LISN sul parallelo di 50||50Ω. Possiamo definire un circuito equivalente del generatore di rumore di modo comune in modo esatto.
L’analisi di Fourier ci dice che un’onda quadra ha sull’armonica fondamentale il maggior contenuto energetico quando il duty-cycle è del 50%.
Se la frequenza di switching cade dentro la maschera normativa di emissioni condotte, possiamo considerare la fondamentale come quella che veicola l’energia di rumore maggiore (63.6% del contenuto armonico totale), altrimenti si considera la prima armonica che cade dentro la maschera. Dopo di che possiamo procedere all’analisi in regime permanente sinusoidale.
20Manuele Marconi
Filtraggio della corrente di modo comune (2). Circuito equivalente
La simulazione fornisce la tensione di rumore di modo comune che sarà presente al connettore d’uscita della LISN, che è pari a 48mV
rmsrms VV 127200%6.63
VdBV
V
93)
1
48000(log20 10
La maschera IEC EN 55022-B impone un livello di rumore massimo a 200kHz di 64dBuV, pertanto necessitiamo di una attenuazione di modo comune di 29dB
21Manuele Marconi
Filtraggio della corrente di modo comune (3). Strategie di filtraggio
Sostituisco con la reattanza di C1 e i due rami del choke di modo comune in serie (4x del valore induttivo di un ramo)
Purtroppo il valore induttivo realizzato risulta insufficiente ad attenuare il disturbo condotto sotto i 64dBuV. Potremmo aumentare il valore induttivo realizzando avvolgimenti con più spire, oppure, a parità di spire, con un nucleo a permeabilità maggiore.
VdBVout 89
22Manuele Marconi
Filtraggio della corrente di modo comune (4). Strategie di filtraggio
VdBVout 84Il semplice incremento del valore induttivo non basta a portare il rumore sotto la maschera.
VdBVout 63
Interponendo un condensatore Y verso la terra, abbiamo introdotto un’attenuazione addizionale di quasi 20dB alla frequenza di interesse
23Manuele Marconi
Schema completo di filtro MC + MD per SMPS.
Potenza Rumore
L1, R2 e C4 formano un notch filter (elimina banda) accordato sulla frequenza di switching, per attenuare selettivamente la fondamentale e provvedere al damping.R1 è la resistenza di scarica, mentre C1, C2 e C3 realizzano un ultimo percorso conduttivo contro l’impedenza di linea, che non è predicibile.
Inrush limiter
MD con dispersa del choke L2/L3 (alta frequenza)
MC con C5 e C6 MD con C8
24Manuele Marconi
Approfondimento. Relazione tra frequenza di cross-over del sistema a ciclo chiuso e frequenza di taglio del filtro EMI.
|H(s)| del convertitore
fco
|H(s)| del filtro EMI
ft
Dalla figura riconosciamo l’andamento tipico del passa-basso 2° ordine con la sua FDT
Se riuscissimo a portare la fco ad un valore piuttosto elevato, potremmo far tagliare il filtro più in alto in frequenza, con il risultato che per avere la stessa attenuazione potremmo farlo più piccolo e leggero.
25Manuele Marconi
Approfondimento. Relazione tra frequenza di cross-over del sistema a ciclo chiuso e frequenza di taglio del filtro EMI (2)
Con riferimento alla figura precedente, oltre la frequenza di cross-over nella |H(s)| del convertitore, un transiente (disturbo) non viene più compensato dalla retroazione, pertanto attraversa tutto il sistema e si presenta al carico.
Se un rumore sulla linea ha frequenza superiore alla fco, ma non viene attenuato del filtro EMI a causa dei parassiti di filtraggio o per scelta erronea dei componenti, allora questo si presenterà al carico interamente, pregiudicando le prestazioni sulla regolazione di linea (suscettività ai disturbi sulla linea).
26Manuele Marconi
Peggio ancora, se il filtro non è propriamente smorzato, esibisce un forte bump di risonanza sia nel guadagno (con il risultato che a ridosso della sua frequenza di taglio a valle del filtro il rumore esce amplificato) che nella impedenza d’uscita.
Ovverosia, un buon damping riduce anche la necessità di realizzare un alto guadagno del sistema a ciclo chiuso per rincorrere il rumore amplificato dal bump
Approfondimento. Relazione tra frequenza di cross-over del sistema a ciclo chiuso e frequenza di taglio del filtro EMI (3)
In definitiva, la frequenza di taglio del filtro EMI deve essere sempre minore della frequenza di cross-over
coEMIt ff ,
27Manuele Marconi
Approfondimento. Scongiurare l’oscillazione dovuta all’impedenza d’uscita Zout del filtro troppo alta
Un DC/DC converter ha impedenza d’ingresso negativa, in quanto al diminuire della tensione ai suoi capi richiede più corrente (è cioè un carico a potenza costante)
Cosa succede se, alla risonanza del filtro EMI, la Zout è maggiore di Zin?
Zout
Zin
Si realizza un oscillatore a resistenza negativa!
Necessario damping per evitare il bump nella Zout alla ft
28Manuele Marconi
Bibliografia
• Erickson, Maksimovic – Fundamentals of Power Electronics
• H. Dean Venable – Minimizing Input Filter requirements in military power supply design
• Steven M. Sandler – Switch-mode power supply simulation with Pspice and Spice3
• Bob Mammano, Bruce Carsten – Undestanding and optimizing electromagnetic compatibility in switchmode power supplies
• Murata EMC knowledge base – http://www.murata.com/products/emc/knowhow
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30
Grazie dell’attenzione!
Manuele Marconi
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