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 conjunto 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 nuestros diseños.

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.

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 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, junto a 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 un trabajo denominado en modo común. 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 de corriente 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 de las agencias 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.

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.

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) ayudan a proteger y sumar solidez al sistema general de filtrado de ruidos. ¿Te interesa esta lucha de los diseñadores contra la EMI? Si conoces de este tema y puedes aportar conocimientos para ayudar a los diseñadores a construir circuitos más eficientes y menos “sucios”.

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