MIL-SPEC COTS Filtro di ingresso EMC per convertitori DC-DC

L'azione di commutazione dei convertitori DC-DC può causare uno scarso rumore di modo comune e di modo differenziale, creando interferenze inaccettabili in molti punti dello spettro. I filtri front-end (o linea di alimentazione) sono progettati per essere utilizzati prima dei convertitori CC-CC per ridurre le interferenze elettromagnetiche (EMI). Questi filtri front-end personalizzabili o facilmente disponibili possono essere progettati per essere conformi agli standard normativi sulla compatibilità elettromagnetica (EMC) con i fornitori di alimentatori a commutazione (SMPS) o convertitori CC-CC, come FCC, ETSI, CISPR, MIL-SPEC, eccetera.

Questi filtri front-end già pronti sono personalizzati in base alle caratteristiche elettromagnetiche delle apparecchiature di conversione di potenza. Tuttavia, per soddisfare le esigenze delle attrezzature militari, è necessario considerare anche altre limitazioni di progettazione elettriche (come picchi di tensione, ondulazione), meccaniche (come vibrazioni, urti) e ambientali (come l'alta quota). Questo articolo illustra le considerazioni sulla progettazione dei filtri front-end e i requisiti di test per i moduli di alimentazione CC delle apparecchiature militari.

Cos'è un filtro front-end?

La progettazione di questo filtro di ingresso è fondamentale per soddisfare gli standard e gli obiettivi di compatibilità elettromagnetica (EMC). I filtri front-end o di input vengono utilizzati per vari scopi:

Elimina il rumore e i picchi che potrebbero entrare nel primo stadio dell'alimentatore

Riduce il rumore di emissione della frequenza fondamentale (ovvero la frequenza di commutazione) e le sue armoniche

L'uso di alimentatori a commutazione nei dispositivi elettronici sta diventando sempre più comune, con un ricco contenuto spettrale che può essere trasmesso ad altre parti del circuito attraverso il contatto fisico e interferire con i circuiti sensibili vicini. Con l'aumento della velocità di commutazione, il rumore diventa un problema sempre più significativo, soprattutto quando i transistor a commutazione rapida causano interruzioni nel flusso di corrente (con conseguenti picchi di tensione e rumore ad alta frequenza). Queste interruzioni di corrente si trovano all'ingresso del convertitore step-down, all'uscita del convertitore step-up, nonché all'ingresso e all'uscita dei convertitori flyback e step-down.

Sorgenti di rumore di vari regolatori di tensione

Il terminale di ingresso del convertitore buck CC/CC è dotato di dispositivi di commutazione rapida per l'apertura e la chiusura rapida, con conseguenti fronti di salita e discesa netti (di/dt elevato) della corrente intermittente sul condensatore. Ciò comporterà che la frequenza fondamentale e diverse armoniche (solitamente armoniche di ordine inferiore) non soddisferanno gli standard. Il convertitore boost che funziona in modalità di conduzione continua (CCM) subirà EMI in uscita a causa della necessità di un rapido recupero inverso del diodo. Sebbene riduca notevolmente la perdita di potenza, la variazione di corrente (di/dt) è più aggressiva e aumenta le EMI. Nella modalità di conduzione discontinua (DCM), l'ondulazione della corrente principale è maggiore. Le ondulazioni creeranno un segnale mutevole che verrà trasmesso ad altre parti del sistema attraverso conduttori in contatto comune.

EMI: Radiazioni ed emissioni condotte

Solitamente, le emissioni condotte sono relative a frequenze inferiori a 30 MHz, mentre le emissioni irradiate rientrano tipicamente nell'intervallo di frequenze superiore a 30 MHz (solitamente da 50 a 300 MHz). Tuttavia, esiste ancora una sovrapposizione tra l’emissione di conduzione e quella di radiazione. Negli alimentatori a commutazione, i picchi di tensione (dV/dt elevati) sono solitamente la fonte del rumore irradiato. Come accennato in precedenza, le EMI condotte hanno tipicamente origine da correnti intermittenti (di/dt elevato) e possono essere scomposte in rumore di modo comune (CM) e di modo differenziale (DM).

Rumore differenziale e di modo comune

La corrente DM è solitamente dominata da di/dt e fluirà tra la linea di alimentazione e il circuito; Il rumore DM domina le frequenze più basse. Di solito è difficile modificare il comportamento di/dt senza alterare radicalmente il circuito. Utilizzando filtri EMI passivi passa-basso (come smorzatori RC, sezioni LC, Pi, sezioni a T, ecc.) per sopprimere le oscillazioni causate da correnti intermittenti, è possibile ridurre il di/dt.

La corrente CM è solitamente una funzione di dV/dt e fluirà tra ciascuna linea elettrica e terra. Quando la corrente CM è accoppiata a un lungo conduttore o cavo, il cavo può fungere da antenna, rendendo il rumore CM più evidente alle alte frequenze. In base alla lunghezza del cavo e alla distanza tra i conduttori, nonché al piano di massa di riferimento, l'area del circuito accidentale può essere molto ampia. Una progettazione efficace del layout può sopprimere notevolmente la CM, ad esempio avvicinando i conduttori al piano di terra di riferimento, installando con attenzione condensatori di sicurezza, schermando fasci di cavi collegati o posizionando bobine induttive CM nel percorso di corrente CM. La bobina dell'induttore CM fornisce anche un percorso di connessione in serie ad alta impedenza, consentendo alla corrente CM di fluire fuori dal convertitore attraverso il condensatore Y per formare un percorso shunt per la terra EMI.

Sia DM che CM contribuiranno all'EMI ed è spesso necessario quantificare i componenti di rumore di DM e CM per conformarsi agli standard EMC del settore prima di progettare i filtri EMI. L'EMI in ingresso viene generalmente quantificato utilizzando una rete stabile a impedenza di linea (LISN) all'ingresso del dispositivo sotto test (DUT) e un analizzatore di spettro.

Considerazioni sulla progettazione per i filtri front-end

Solitamente, il filtraggio EMI passivo è il metodo più comune per la soppressione del rumore; Tuttavia, ciò potrebbe rivelarsi difficile quando il filtro termina con diverse impedenze di carico e diverse sorgenti di rumore di SMPS. Questi filtri sono tipicamente costituiti da varie disposizioni di resistori, condensatori e induttori. Le componenti fondamentali e le prime armoniche hanno la grandezza maggiore e daranno il contributo maggiore al rumore complessivo, mentre l'ampiezza delle armoniche di ordine superiore diminuirà gradualmente all'aumentare della frequenza. La capacità dei filtri di sopprimere queste componenti di rumore aumenta anche con l'aumento della frequenza, pertanto la riduzione del rumore alla frequenza fondamentale e alle armoniche di ordine basso rappresenta una sfida progettuale importante.

Di solito, i grandi filtri passivi possono ridurre le emissioni a bassa frequenza; Tuttavia, a causa delle sue proprietà parassite (come la resistenza in serie equivalente e l'induttanza dei condensatori, nonché la capacità parallela degli induttori), l'emissione ad alta frequenza può richiedere ulteriori considerazioni sulla progettazione. Altre tecniche di filtraggio EMI coinvolgono tipicamente componenti attivi: una tecnica consiste nell'utilizzare lo spettro diffuso o il jitter per modulare la frequenza di commutazione dell'alimentatore, al fine di ridurre il picco delle armoniche fondamentali e di ordine basso presenti nel dominio della frequenza. In definitiva, la tecnologia adottata dipende dalle caratteristiche di rumore uniche degli SMPS, nonché dai costi di progettazione, dalle dimensioni e dai limiti normativi.

Oltre a rispettare gli standard normativi EMC, i filtri EMI possono anche includere la capacità di sopprimere i transitori di corrente elevata riflessi dal carico all'alimentatore di ingresso SMPS. Le caratteristiche transitorie previste di ciascun SMPS varieranno, quindi in genere sono necessari progetti personalizzati per eliminare completamente i picchi. Questa è senza dubbio un'ulteriore considerazione progettuale per i dispositivi elettronici di potenza MIL-SPEC. Le attrezzature militari avranno una serie di considerazioni di progettazione elettrica, meccanica e ambientale che richiederanno ai produttori di progettare attentamente i dispositivi elettronici di potenza partendo dalle basi: devono soddisfare i requisiti di screening dei materiali e di prestazioni elettriche, meccaniche e ambientali severe.

Standard militari comuni per gli alimentatori

MIL-STD-461 stabilisce i limiti di conduzione ed emissione di radiazioni per le apparecchiature elettriche per guidare la corretta misurazione delle EMI. Se l'SMPS supera questi limiti, cosa che spesso accade, sarà necessario un filtro EMI per "riportarlo alle specifiche". Tuttavia, la scelta di un filtro EMI già pronto non comporta necessariamente che l'alimentatore soddisfi improvvisamente i requisiti standard; Il dispositivo potrebbe essere molto rumoroso, al punto che collegando un qualsiasi filtro EMI all'ingresso si causerà comunque il guasto del componente. I vari requisiti e descrizioni di MIL-STD-461 sono reperibili nella Tabella 1. I dispositivi elettronici conformi a MIL-STD-461 in genere elencano informazioni dettagliate che soddisfano specifici requisiti CE, CS e RE.

L'EMI non è l'unica considerazione per la correttezza, l'affidabilità e la sicurezza dei dispositivi elettronici. L'alimentatore deve inoltre essere in grado di funzionare in varie condizioni di tensione, tra cui polarità inversa, picchi di tensione e picchi di tensione. Lo standard MIL-STD-1275E fornisce le condizioni di test da applicare all'ingresso di un sistema di alimentazione elettrica a 28 V, nonché i parametri prestazionali previsti dell'apparecchiatura. Si prevede che questi sistemi verranno utilizzati per veicoli terrestri militari, veicoli fuoristrada civili e attrezzature pesanti militari e civili.

Altri standard militari, come MIL-STD 704F per le caratteristiche elettriche degli aeromobili e DO-160G per le apparecchiature aviotrasportate, specificheranno le condizioni ambientali e le procedure di test per simulare completamente varie condizioni di tensione. Lo standard MIL-STD-810 include condizioni e requisiti di test per apparecchiature soggette a impatto meccanico, vibrazioni e alta quota. Questa potrebbe anche essere una considerazione necessaria per garantire la longevità e l'affidabilità dell'alimentazione in ambienti difficili. L'alimentatore utilizzato nei veicoli militari e nei sistemi aerei potrebbe dover soddisfare tutti gli aspetti delle norme MIL-STD-1275E/MIL-STD 704F, MIL-STD-461 e MIL-STD-810 per essere considerato idoneo all'uso. P-Duke offre una gamma di filtri front-end standard militari MCF che possono essere abbinati a convertitori CC/CC selezionati per soddisfare tutti questi requisiti specifici.

Serie P-DUKE MCF

La serie MCF fornisce filtraggio EMI e protezione dai transitori per soddisfare i requisiti di emissioni condotte, rilevamento condotto ed emissioni irradiate dello standard MIL-STD-461G, requisiti di picchi/sovratensioni in numerosi standard militari e requisiti di altezza/impatto/vibrazione in MIL -STD-810 (Tabella 2).

I filtri MCF possono essere semplificati e integrati nei sistemi militari

I filtri EMI non possono essere selezionati semplicemente in modo casuale per garantire che l'alimentazione soddisfi gli standard e il processo di progettazione di questi filtri può essere molto complesso, con elevati costi ingegneristici non ripetitivi (NRE). Ciò è particolarmente vero per le apparecchiature militari, dove i sottosistemi di bordo di veicoli e aerei militari sono alimentati da batterie da 24 V o generatori da 28 V, che presentano requisiti rigorosi per molteplici aspetti. Le attrezzature COTS e le soluzioni personalizzate potrebbero non essere realizzabili. P-DUKE fornisce convertitori CC-CC che vanno da 15 W a 250 W, abbinati ai relativi filtri front-end MCF, per soddisfare i requisiti militari di EMC e soppressione dei picchi.