EMI en Fuentes Conmutadas

Resolver o minimizar los problemas que acarrea la Interferencia Electromagnética (EMI, ElectroMagnetic Interference), es uno de los retos claves en el diseño de los sistemas de alimentación conmutados o convertidores AC-DC. En este mismo problema están incorporados los modernos convertidores DC-DC que, poco a poco, van ganando lugar en el diseño optimizado gracias a su alta eficiencia energética, máxime aún cuando los sistemas trabajan operados con respaldo de baterías. El enorme crecimiento del mercado de las baterías recargables nos indica que la portabilidad de los equipos electrónicos es una constante en expansión y que los sistemas más eficientes en materia energética, pueden ser los más perjudiciales, debido a la enorme cantidad de EMI que irradian. ¿Eliminarlos?, una quimera. ¿Reducirlos?, una posibilidad que no debemos dejar de lado en un diseño serio y cuidado.

La interferencia electromagnética (EMI) está siendo vista como uno de los desafíos más importantes, durante el diseño de los actuales convertidores AC-DC y DC-DC. Este problema puede ser considerado de este modo porque su eliminación, total y/o directa, es básicamente imposible. Sin embargo, el gran trabajo de los ingenieros de diseño de todo el mundo apunta a intentar minimizar, tanto como sea posible, sus orígenes y sus efectos. El ruido propio generado por las fuentes conmutadas se propaga por la red en forma descontrolada, afectando en muchos casos, la operatividad de equipos electrónicos que comparten el uso de la misma red eléctrica domiciliaria. Estos ruidos se generan en los momentos en que ocurre un pico repentino (y de duración muy breve), tanto sea de tensión como de corriente y como regla general, provienen de los sistemas de conmutación de potencia en el lado primario del convertidor. A pesar de que la mayoría de los diseños de convertidores utiliza una topología tradicional, basada en la conmutación controlada por PWM (Pulse Width Modulation) de la energía aplicada sobre un transformador (circuito altamente inductivo), desde hace algunos años, otros sistemas de control de potencia (siempre del lado primario del convertidor) como el resonante y el cuasi-resonante, están ganando terreno en el mercado de los modernos TV.

Diagrama resumido de una fuente conmutada resonante (LLC). Observa que no se conmuta un bobinado a GND, se lo hace "resonar"

Los sistemas controlados por PWM, para aquellos que no lo sepan, utilizan una señal de control rectangular, que posee un ancho de impulso variable en forma continua y permanente, en función de las exigencias energéticas del consumo y funcionamiento a las que esté sometido el convertidor. Por lo general, el resultado termina siendo una conmutación de tensión de entrada sobre un transformador que, a cada corte-conexión (conmutación), genera una multiplicidad enorme de armónicos que forman un “ruido blanco” que se distribuye en la mayor parte del espectro. Si este ruido no es debidamente filtrado, apantallado, o reducido mediante técnicas eficaces, viaja por los cables de la red domiciliaria interfiriendo todo tipo de equipos electrónicos que utilizan la red y hasta llega a irradiarse en niveles tan elevados que, por ejemplo, impiden la recepción de una emisora de Amplitud Modulada (550Khz – 1700Khz), en cercanías de un equipo que funcione con este tipo de convertidores. En los casos más severos, en sus cercanías anulan el funcionamiento de sistemas de telefonía móvil, afectan equipos de electro-medicina y provocan fallos impredecibles e incomprensibles en sistemas de radiocomunicaciones.

La EMI es un ruido de alta frecuencia que se "monta" sobre las señales dentro de los circuitos.

Las Interferencias Electromagnéticas (EMI), representan un ruido que viaja a lo largo de los conductores eléctricos, cables, trazas de circuitos impresos, o componentes electrónicos, tales como transformadores, inductores, capacitores, semiconductores, y resistencias. El ruido eléctrico también puede ser en forma de Radio Frecuencia (RFI). Este sería el ruido que viaja por el aire o espacio libre como los campos magnéticos u ondas de radio. La RFI se controla normalmente proporcionando protección metálica para contener los campos magnéticos y ondas de radio dentro de la carcasa del equipo (Jaula de Faraday). Los circuitos de filtrado se utilizan para que el producto final cumpla con las normas de compatibilidad electromagnética EMC (Electromagnetic Compatibility). Entre las normas EMC más citadas encontramos la norma EN55022 para equipos informáticos, la EN55011 para equipos industriales, y en Estados Unidos las normas FCC Clase A, para servicios comerciales o industriales o FCC Clase B para equipos residenciales. Ésta última es más dura y más restrictiva que la Clase A. Para la mayoría de estas normas, el rango de frecuencias se define generalmente entre 150 kHz y 30 MHz para lo que se considera EMI, medido por un Analizador de Espectro. En cambio, la RFI se define generalmente en el rango comprendido entre 30 MHz y 1 GHz.

Filtro de entrada de línea para reducir EMI

La mayoría de los convertidores AC-DC incorporan filtros EMI dentro del gabinete para suprimir en su mayoría los ruidos y están basados en sencillos circuitos inductivos que trabajan básicamente en modo diferencial con capacitores (o condensadores) que se colocan en paralelo con la línea de alimentación de red. Los circuitos más elaborados, de mayor calidad y costo, incorporan además capacitores referidos a GND que tienen la propiedad de filtrar los ruidos y poseen los clásicos “Common Mode Chokes” (Bobinados en modo común sobre núcleos de ferrite). Los convertidores de potencia AC-DC están diseñados para satisfacer diversas normas reglamentarias y de seguridad, incluyendo las diversas normas de EMI que existen en Europa y América. Los detalles individuales y las normas que cumplen, generalmente están descriptos con abundante información en la documentación del producto. Sin embargo, durante la integración de sistemas de varios sub-sistemas, incluyendo un convertidor AC-DC, un ingeniero de diseño puede verse en la necesidad de añadir más de filtrado EMI al sistema completo (la sumatoria de los ruidos de cada etapa) para cumplir con todas las normas pertinentes. Un ejemplo de este caso es un TV LCD o una Notebook. El ruido generado por la fuente conmutada que le brinda energía al equipo, agregado al ruido que genera el PWM que controla la retro-iluminación de la pantalla, suman una fuente de interferencias muy potente. Minimizar hasta casi eliminar este enorme problema invisible, es el desvelo de los ingenieros de diseño de todo el mundo.

En muchos casos, para cumplir con los estándares hay que incluir dos filtros para reducir la EMI

Además del filtro de línea enunciado antes, las áreas de trabajo más intensas para cualquier diseñador se reparten en muchos focos o puntos de atención y entre los más importantes, a los que no se les presta la atención debida en muchos diseños, encontramos los clásicos “bucles” de tierra y el pasaje de cables o vías de conducción (portadoras de ruido de conmutación) que no son tan cortas y blindadas como debieran ser. Una vía demasiado extensa y mal desacoplada a tierra se presenta como una antena que “irradia” los ruidos de conmutación hacia el exterior, al igual que los bucles o lazos de tierra distribuidos por todo el equipo.

Los bucles o lazos de energía generan abundante EMI y siempre deben desacoplarse a Tierra

Por otra parte, estas inductancias favorecen un fenómeno conocido como “ring-up” que provoca una autoinducción sobre sí mismas, desembocando en picos de corriente muy elevados, que pueden llevar al sistema al colapso destruyendo los elementos básicos de protección y de conmutación. Este fenómeno es muy común cuando se presentan variaciones bruscas de tensión de línea originadas por múltiples factores, tales como problemas en el suministro energético (planta de energía), hasta por impulsos (breves e intensos) de consumo en el motor del ascensor de un edificio. Por último, podemos agregar que las protecciones con Varistores de Óxido Metálico (MOV) (dispositivo de aspecto igual al de un capacitor cerámico y de color amarillo en la imagen de doble filtro EMI) ayudan a proteger y sumar solidez al sistema general de filtrado de ruidos. Veamos una configuración básica de capacitores que trabajarán en modo diferencial y de bobinados que lo harán en modo común. Cuando éste esquema se utiliza en la entrada de línea de un equipo, debemos utilizar capacitores específicos para corriente alterna, tal como habrás observado en las fotografías superiores, que poseen el símbolo de corriente alterna en su nomenclatura.

Esquema básico de un filtro de línea para EMI

Si deseamos construir un filtro de línea para que la EMI no invada con sus ruidos la red eléctrica, podemos comenzar con este esquema simple, para colocarlo en cualquier equipo eléctrico que no lo posea. El valor de C puede variar entre 100nF y 330nF y será igual para ambos capacitores, mientras que la tensión de aislación será respetada de acuerdo a los valores que existan en cada país. El conjunto de arrollamientos que en la imagen vemos como L, se realiza sobre un toroide de ferrite y “juntas” se arrollan las espiras, hasta completar el espacio que nos ofrece el diámetro del núcleo, utilizando un alambre AWG21. El funcionamiento es muy simple y se puede resumir en que C trabaja en modo diferencial en ambos casos, derivando a la otra rama de alimentación los ruidos. Recuerda que estamos trabajando en AC y los semi-ciclos se alternan en el tiempo. El funcionamiento de L es muy particular ya que realiza un trabajo doble: es capaz de trabajar en modo diferencial y en modo común a la vez.

Circuito completo de un filtro para reducir EMI (Observa los colores de las indicaciones)

La resistencia que se observa a la izquierda, por lo general es de alto valor (330K o más) y de medio Watt de disipación de potencia. Se razón de existir allí es para descargar toda la energía que pueda quedar acumulada en el circuito y para que al desconectar el equipo de la red, no suframos “cosquilleos” por tocar accidentalmente los contactos del toma-corrientes. Luego encontramos los dos capacitores (Cx1 y Cx2)  y L. Bien a la derecha, dos capacitores (Cy1 y Cy2) que se conectan, desde cada línea (fase y neutro) a Tierra o GND (nunca digas “Masa”). Observa los colores de las flechas y descubre los caminos que recorre la corriente en los modos común y diferencial. Aunque no esté indicado en el gráfico, L también trabaja en modo diferencial. Cuando lo hace en modo común (ambos conductores son comunes en el camino del ruido) se ubica como un simple inductor, formando un filtro PI con los capacitores de entrada y salida (azul oscuro). Cuando lo hace en modo diferencial, lo realiza a través del flujo magnético para anular los ruidos y sería del siguiente modo (azul claro):

El inductor es capaz de trabajar en modo común y modo diferencial

En modo diferencial, el pico de ruido que posee una polaridad determinada en un sentido, tiene por consecuencia otro igual y de sentido opuesto, saliendo desde el circuito para regresar a la línea de red. Recordemos que los bobinados en el toroide se realizan juntos, por lo tanto, mientras por un conductor circula corriente en un sentido, por su contiguo, retornará la corriente en sentido opuesto. Como consecuencia de esto, los flujos magnéticos inducidos estarán en oposición dentro del núcleo. El bobinado por el que ingresa el ruido generará un flujo magnético en un sentido dentro del toroide, mientras el que sale lo intentará hacer, pero en el sentido contrario. Ambos flujos se intentarán anular entre sí y la inducción encontrará un “freno”. Este fenómeno permite reducir los picos de ruido. Podemos resumir entonces que en el modo diferencial reduciremos los ruidos que puedan ingresar desde el exterior, con una entrada y una salida. Estos mismos pueden estar producidos dentro del propio equipo e inducidos en los sistemas de alimentación, por lo tanto, al aparecer en la salida, encontramos un “espejo” en la entrada. Los ruidos en modo común ingresan por ambas líneas, en el mismo sentido y son generados externamente, fuera del equipo. Ambos ingresan en el mismo sentido y debemos derivarlos a GND o Tierra, como vimos en el circuito anterior. 

¿Te interesa esta lucha de los diseñadores contra la EMI? ¿Quieres que veamos esta aplicación en circuitos de corriente continua? Si conoces de este tema y puedes aportar conocimientos para ayudar a los diseñadores a construir circuitos más eficientes y menos “sucios”, te invitamos a participar en el Foro Servisystem  para compartir ideas y sumar conocimientos que favorezcan a todos. ¡Te esperamos!

Trabajando con la Energía al Límite

Uno de los problemas habituales al diseñar un proyecto es la administración de energía dentro del futuro circuito, dentro de cada sección que dará forma al desarrollo. Existen dos tipos de problemas elementales y que, podríamos decir, se reiteran con frecuencia por sobre “otros” inconvenientes energéticos. Estas dos “categorías” podrían separarse entre los que no tienen potencia energética sobrante, y deben hacer un aprovechamiento total de cada unidad de potencia, y aquellos otros a quienes les resulta suficiente y sobrada la energía que entregan sus baterías o fuentes de alimentación, pero que tienen el inconveniente (siempre acechante) de la disipación de calor con radiadores térmicos y los inconvenientes de montaje que esto trae aparejado.

Por un lado entonces, encontramos a un grupo que no sabe cómo aprovechar al máximo cada miliWatt y por el otro a los que no saben como hacer para que sus sistemas sean eficientes y no pierdan energía en forma de calor a través de sus radiadores térmicos. Cada grupo tiene graves inconvenientes ante sí y aunque ambos expresen “problemas de alimentación” los dos están con inconvenientes muy diferentes y las formas de resolverlo, también serán muy distintas. Por ejemplo, dentro del grupo que tiene serias restricciones a hacer funcionar sus circuitos con la máxima eficiencia posible, apelan en muchos casos a técnicas ingeniosas de poner a dormir (Sleep o Stand-By) determinadas etapas mientras otras realizan procesos que requieren un tiempo definido y la disponibilidad total de la energía. Dicho en otras palabras, todos sabemos que una descarga continua de una batería puede llevar “X horas”, pero con un funcionamiento alternado y con consumos que se incrementan sólo algunas veces por hora, la misma batería puede durar “4X horas” o hasta “nX horas”, mientras alterna (por ejemplo) entre un sistema de carga por energía solar y el consumo nominal, sólo en momentos específicos.

Muy diferente es el caso de cualquier desarrollo que tenga una alimentación muy distante en nivel para su trabajo y necesite de reguladores o dispositivos capaces de disminuir o incrementar la tensión. Es todo un desafío decidir que sistemas adoptar cuando entra a tallar la parte económica como un limitante presupuestario. Cuando construimos desarrollos para nuestro uso, es muy simple seleccionar un convertidor DC-DC (Step-Down o Step-Up) con un elevado rendimiento, a pesar de sacrificarnos en el costo. Invertir en un buen sistema de administración de energía es, en términos temporales extensos, una sabia decisión, pero cuando se trata de diseñar un producto para fabricación en masa, los costos son el gran fantasma de la batalla. Inclinar la balanza sobre un sistema eficiente y que no levante demasiada temperatura por sobre otro que sea mucho más económico que el anterior, aunque lo notemos que llega a extremos térmicos casi límites, es también una responsabilidad del diseñador. Una partida de producción desperdiciada por una mala selección de componentes, puede acabar con tu empleo en minutos.

Las técnicas de disipación de calor que incluyen conducción, convección, radiación, disipadores de calor, sopladores, tipos de placas (PCB) específicas (donde se utilice hasta el mismo cobre de los planos de tierra para disipar calor), son todo un desafío que requiere mucho conocimiento y una actitud firme, decidida y con convicción de saber lo que se está haciendo. Dicho en otras palabras, “Administrar la energía de alimentación, puede ser un problema que se resuelve con ingenio, software y hardware específico, sin embargo, manejar el calor no es un trabajo sencillo y para cualquiera”. La proliferación de baterías de Litio, permite a los diseñadores obtener mucha energía en pequeños tamaños. Además, este tipo de baterías está cambiando el enfoque clásico de los diseñadores, ya que a pesar de brindar soluciones más efectivas que cualquier otro sistema de batería recargable, presenta el desafío de una carga adecuada, de una descarga atendida más un control y monitoreo térmico permanente. Por lo tanto aquí ya entramos en un nuevo problema de alimentación. Todo el hardware “extra” que necesita nuestro diseño; si es que pensamos alimentarlo con baterías de Litio.

Pero si hablamos de problemas extremos de alimentación, de una necesidad imperiosa de contar con una excelente administración, no podemos dejar de pensar en las sondas espaciales Pioneer o Voyager, que alcanzaron más de 30 años viajando por el espacio, enviando señales o respondiendo a mensajes desde la tierra. Quizás esos son ejemplos sencillos para comprender que la correcta administración de energía en un desarrollo, no sólo es el acto de ahorrar, sino saber aprovechar los momentos y los elementos adecuados que disponemos en el sistema para consumir lo necesario. Y tú, ¿Tienes anécdotas para contarnos sobre casos extremos de administración de energía? ¿Te ha sucedido el problema de tener que “estirar” los tiempos de uso de alguna aplicación, en períodos de insuficiente carga de baterías por falta de sol, durante varios días? ¿Has tenido que desarrollar gabinetes especiales para instalar sendos sopladores que permitan una refrigeración adecuada? ¿Cuál ha sido el mayor de tus problemas? ¿Cuándo has tenido que administrar baja energía o cuando te ha tocado luchar contra el calor por disipación en ese equipo que era más una estufa que un amplificador? Cuéntanos tus experiencias. Todos hemos tenido alguna que merece ser contada y compartida.