Los filtros de entrada son, hoy más que nunca, un factor indispensable para una exitosa homologación en EMC de controladores de conmutación, sea cual sea el tamaño de los componentes de AC involucrados. Los controladores de conmutación generan interferencias en la EMC, debido a los componentes de AC en sus líneas, independientemente de su topología individual y aplicación. Debido a esto, los fabricantes de ciertos componentes han optimizado sus módulos de alimentación con el fin de conseguir una baja emisión de interferencia radiada o conducida.

Las ondulaciones residuales de estos tipos de módulos presentan frecuentemente un valor insignificantemente bajo, lo que significa que se puede utilizar un filtro de salida en la mayoría de las aplicaciones. Puesto que la corriente de entrada en el convertidor reductor emite impulsos, esto puede generar interferencias en la radiofrecuencia de la aplicación. En función de la aplicación específica, el desarrollador de hardware decide si es necesario colocar un filtro de entrada directamente antes del módulo de alimentación o en otra posición en el conmutador. En este artículo se discute el proceso de diseño de filtros de entrada para módulos de alimentación optimizados y las técnicas de medición que se utilizan.

Como punto de partida, resulta útil ilustrar, en primer lugar, cómo se generan los ruidos de modo diferencial. Los ruidos de modo diferencial son señales de interferencia en un sistema con un flujo recíproco simétrico entre la fuente y la carga en las líneas de un controlador de conmutación. Entran por una línea y salen por la otra.
 
En el circuito de entrada, la frecuencia de reloj del módulo de alimentación incluye un componente de AC superpuesto sobre la corriente útil y es similar en su configuración con la corriente que pasa por la inductancia de almacenamiento del módulo de alimentación. La corriente de entrada fluye hacia el condensador de entrada Cin. Los condensadores reales poseen un componente resistivo, el ESR y un componente inductivo, el ESL como se observa en la figura 2.
Debido al ESR del condensador de entrada y a las impedancias de las líneas del módulo de alimentación, los componentes de la AC producen una caída de tensión indeseada.

De esta forma, la tensión de ruido se manifiesta como una señal de modo diferencial. La amplitud de la tensión de interferencia que ocurre en la entrada del condensador depende fundamentalmente del ESR del condensador utilizado. Los condensadores electrolíticos tienen una ESR relativamente alta, cuyo valor puede fluctuar entre solo un par de miliohmios hasta varios ohmios. Como consecuencia, la tensión de interferencia puede variar entre un par de milivoltios hasta varios voltios. Por otro lado, los condensadores cerámicos tienen una ESR muy pequeña de tan solo unos pocos miliohmios, lo que resulta en una tensión de ruido de unos pocos milivoltios. Además, el diseño de la tarjeta de circuitos del módulo de alimentación ejerce una fuerte influencia sobre la tensión de interferencia.

Para reducir los ruidos de modo diferencial se debe instalar por lo menos un filtro simple LC en la entrada del convertidor como medida para minimizar los componentes de AC en la línea. En sistemas de alta impedancia, tales filtros de entrada pueden, en teoría, producir una atenuación de tensión de 40 dB/década en la banda atenuada. En la práctica, se obtiene un nivel de atenuación menor desde el momento en que las impedancias terminales presentan una carga ohmica reducida y también porque los componentes mismos presentan pérdidas. En el dimensionado del filtro LC se selecciona una frecuencia de corte "f" _"c"  que se encuentra por debajo de la frecuencia de conmutación "f" _"sw"  del módulo de alimentación. Si el factor es una décima parte, en teoría, se consigue una pérdida de inserción de 40 dB en la frecuencia de conmutación en la que ocurre la amplitud espectral más alta.
    "f" _"C"  " = "  "f" _"SW" /"10"     (1)

La frecuencia de corte de un filtro LC es generalmente:
        "f" _"C"  "="  "1" /("2π∙" √("L" _"f"  " ∙ " "C" _"f"  ))    (2)

Como ejemplo para el cálculo del filtro, se selecciona una inductancia de 10 µH y la ecuación (2) es transformada en:
        "C" _"f"  "="  "1" /(("2π ∙ 0.1 · " "f" _"sw"  )^"2"  "·" "L" _"f"  )    (3)

En cuanto a la disposición de los componentes del filtro, como se muestra en la figura 3, el condensador del filtro puede ser colocado en el lado de la fuente de tensión o en el lado de la entrada del módulo de alimentación. El factor decisivo para la atenuación de la corriente pulsada proveniente de una fuente de tensión es la inductancia del inductor de filtro.

Cuando la resonancia del filtro es demasiado alta, las oscilaciones pueden ocurrir, en caso de cambios, en la tensión de entrada que debe ser regulada. El criterio de estabilidad que se aplica en este caso, es que la impedancia de salida del filtro de entrada "Z" _"out,filter"  dentro de un amplio espectro de frecuencias tiene que ser menor que la impedancia de entrada del módulo de poténcia "Z" _"in,converter" .
    
        |"Z" _"out,filter"  |"<" |"Z" _"in,converter"  |    (4)

Además, la frecuencia de corte "f" _"c"  del filtro de entrada debe encontrarse muy por debajo de la frecuencia de transición "f" _"co"  del módulo de alimentación.

        "f" _"c,filter"  "≪ " "f" _"co,converter"     (5)

La figura 4 muestra como realizar esto, colocando un ramal atenuador paralelo a la entrada del módulo de alimentación.
 
El atenuador reduce el factor de calidad del filtro de entrada y, consecuentemente, de su impedancia de salida en la frecuencia resonante. La ecuación (6) puede ser utilizada para calcular la resistencia de atenuación "R" _"d"  para un filtro de calidad "Q" _"f"  "=1" :
        "R" _"d"  " =" √("L" _"f" /"C" _"f"  )    (6)

    Un valor que se ha consolidado en la práctica como un indicador de la capacidad del condensador de atenuación "C" _"d"  es la medida de cinco a diez veces de la capacitancia del filtro-condensador.
        "(5 ∙ " "C" _"f"  ") <" 〖" C" 〗_"d "  "< (10 ∙ " "C" _"f"  ")"     (7)

Como alternativa, el filtro puede ser atenuado al seleccionar un condensador electrolítico que es conmutado paralelamente a la salida del filtro en lugar del atenuador. Como regla general, el valor de la ESR del condensador electrolítico es suficiente para atenuar el filtro.

Selección de los componentes del filtro LC
Los condensadores y las bobinas presentan en una situación real propiedades tanto capacitivas como inductivas. Los inductores de filtros tienen su mayor efecto de filtro en su frecuencia autoresonante (SRF). En las bobinas, la SRF depende fuertemente de la inductancia y del acoplamiento capacitivo entre las vueltas del bobinado. En los condensadores, la SRF depende fuertemente de la capacitancia y del largo de sus terminaciones. Por este motivo, al seleccionar los componentes del filtro, se recomienda asegurarse que la SRF se encuentra en extremo superior del rango de frecuencia en el que la tensión de RFI se encuentra en su punto máximo, o, respectivamente, en la que el filtro se encontrará activo.
El factor decisivo para la reducción del ruido de modo diferencial es el inductor de filtro, ya que este es el componente que contrarresta el rápido aumento y caída de la corriente en el circuito de entrada. La figura 5 muestra las curvas de impedancia de tres inductores de núcleo cílindrico, las cuales se basan en un ejemplo de la familia de productos WE-SD de Würth Electronics.
 
A mayor inductancia, menor es la SRF. Se recomienda seleccionar un inductor con una inductancia, cuyo valor numérico sea inferior a la capacitancia del condensador de filtro. En la práctica, se selecciona una inductancia de filtro con un valor máximo de 10 µH, pues —dependiendo del diseño— tal inductancia posee una frecuencia autoresonante de aproximadamente 30 MHz.
Un exceso de la corriente nominal del filtro inductor puede provocar daños en el bobinado. Tomando como base la eficiencia del controlador de conmutación, se puede calcular la corriente de entrada efectiva del módulo de alimentación utilizando la ecuación (8).
        "I" _"in"  " = "  ("V" _"out"  " ∙ " "I" _"out" )/("V" _"in"  " ∙ η" )    (8)

    Por motivos de seguridad, se deberá seleccionar un valor superior a la corriente nominal de la bobina de filtro.
El condensador de filtro puede tomar la forma de un condensador electrolítico líquido, condensador de polímero o incluso de un condensador cerámico. El único aspecto que se debe considerar es que la calidad del filtro en la frecuencia de corte sea lo suficientemente baja (ver sección 4).

Se deberán considerar otras medidas al dimensionar un filtro de Π. En el caso óptimo, se deberá colocar un filtro de entrada lo más cerca posible de la entrada del módulo de alimentación. En caso de que el filtro de entrada se encuentre situado a una mayor distancia, debido a las circunstancias geométricas, las trazas pueden actuar como una antena entre el filtro de entrada y el módulo de alimentación a frecuencias más altas. La inductancia de la traza puede, no obstante, ser también utilizada junto con un condensador cerámico para crear un filtro LC adicional con una frecuencia de corte mayor (véase la figura 6). Debido a la insignificantemente baja ESR, un condensador cerámico puede fácilmente cortocircuitar tensiones de alta frecuencia a tierra con baja impedancia.
 
La SRF del condensador deberá encontrarse aproximadamente en el espectro de la frecuencia de conmutación del módulo de alimentación. Para ilustrar este punto, la figura 7 muestra las curvas de impedancia de los condensadores cerámicos WCAP-CSGP en el tamaño 0805 de Würth Elektronik.
 

De los componentes mostrados en la figura 7, a una frecuencia de reloj de 2 MHz, p. ej., un condensador con 1 µF sería adecuado (frecuencia resonante marcada en rojo). Incluso un condensador cerámico de 100 nF (frecuencia resonante marcada en azul), el cual es utilizado como condensador de bloqueo en numerosos circuitos electrónicos, sería un candidato idóneo a estos valores. Cabe considerar, sin embargo, que en comparación con la versión 1 µF el condensador de 100 nF tiene una ESR nueve veces superior.

Dimensionamiento de un filtro de salida
Algunos módulos de alimentación en el mercado, como los módulos de alimentación MagI³C de Würth Elektronik, presentan una ondulación residual insignificante en la salida, por lo que no es absolutamente necesario el uso de un filtro de salida. En el caso de que los componentes suministrados por el controlador de conmutación desacoplen señales de interferencia mediante interfaces (p. ej. conmutadores sensores, circuitos de conmutación analógica), puede ser necesario incluir un filtro de salida para filtrar la tensión de salida.
 
El esquema de circuito mostrado en las imágenes de la figura 6 muestra un filtro de salida como una opción comparable a la mostrada aquí en la figura 8. Generalmente no es posible hacer una afirmación definitiva sobre la necesidad y la efectividad de tal filtro de salida, ya que este ha de ser dimensionado individualmente para cada aplicación. Es posible utilizar un filtro de salida para reducir la ondulación residual del módulo de alimentación a un mínimo absoluto, o, alternativamente, para reducir las oscilaciones subarmónicas indeseables. El filtro puede ser dimensionado como ya se ha descrito en la sección 3. En este caso no es necesaria una atenuación de la resonancia del filtro.

Medición de la tensión de ruido    
La tensión de ruido es medida según la norma básica IEC CISPR 16-2-1, la que describe los tipos de variables de interferencia que pueden ser medidos, el equipamiento a utilizar para distintos interfaces y la configuración de la medición para dispositivos de mesa y de suelo. Las interferencias son evaluadas en un rango de frecuencia que va desde los 9 kHz hasta los 30 MHz. Los aparatos de medición incluyen, además del receptor de EMI, distintos estabilizadores de la impedancia de línea de redes (LISNs), detectores de tensión, pinzas amperimétricas y acopladores capacitivos. En una configuración de medición para dispositivos de mesa, como se muestra en la figura 9, el objeto del ensayo (DUT, “device under test”) es colocado sobre una mesa no conductora que se encuentra en un plano de tierra de referencia. La mesa debería tener una altura de 40 cm. En caso de que se cuente también con un plano de tierra de referencia vertical, entonces la altura de la mesa deberá ser de por lo menos 80 cm. El LISN debe estar conectado al plano de masa para asegurar una buena conductividad. El DUT mismo y todo cable conectado deberán ser dispuestos de tal forma de que se encuentren a una distancia de 40 cm del plano de tierra.
 
El largo del cable entre el DUT y el LISN no debe sobrepasar los 80 cm. El receptor EMI evalúa la tensión de ruido asimétrica que se ha desacoplado en el LISN para los distintos conductores del cable.

Medición del ruido radiado
El método de medición del ruido radiado sobre los 30 MHz es descrito en la norma básica IEC CISPR16-2-3. El entorno de medición se presenta generalmente como un cuarto anecoico con un suelo conductivo o, en una escala menor, en una cámara anecoica. Aquí también, el DUT es colocado sobre una mesa no conductora (para dispositivos portátiles o de mesa, véase figura 10) o en el suelo. Para permitir que el DUT gire sobre su propio eje en su estado predeterminado durante la medición, este será colocado sobre un plato giratorio. En cuartos anecoicos de mayor tamaño, la antena receptora es situada a una distancia de 10 m del DUT y ajustada en su altura durante la medición para encontrar la mayor intensidad de campo eléctrico en cada una de las frecuencias medidas (pico de espectro). Además, se altera la orientación de la antena (en polarización horizontal y vertical). En cámaras anecoicas de menor tamaño, la distancia entre la antena y el DUT deberá ser de 3 m; puesto que se debe corregir la altura de la antena, la exploración de altura es omitida y el suelo entre la antena y el DUT deben ser cubiertos con un material absorbente.
 
Estudio de caso - Tensión de ruido medida
La siguiente sección describe la medición de la tensión de ruido utilizando una placa de evaluación de módulo de alimentación MagI³C de Würth Elektronik, equipada con un módulo regulador reductor ajustable (171 020 601) como ejemplo.

Ya durante la fase preliminar es posible medir el componente de AC en la entrada del módulo de alimentación utilizando un osciloscopio. Mediante la realización de un análisis dentro del dominio del tiempo, el espectro de interferencia previsto puede ser estimado al inicio del trabajo en el diseño del filtro.

 
La figura 11 muestra un componente de AC de 80 mV, medido a una tensión de entrada del módulo de alimentación de 7.5 V, una corriente de entrada promedio de 1,2 A y una corriente de carga promedio de 2 A. Los controladores de conmutación tienen la capacidad de manifestarse como una resistencia diferencial negativa desde el punto de vista de la alimentación. La corriente de entrada aumenta con la disminución de la tensión de entrada. Por esta razón, la tensión de ruido es medida bajo condiciones de “peor escenario”; tensión de entrada mínima, corriente máxima.
No obstante, el factor decisivo en el análisis de este tipo de emisión de ruido sigue siendo la medición de la tensión de ruido, como las que se realizan en un laboratorio de EMC. La figura 12 muestra el resultado de una medición de tensión de ruido sin un filtro de entrada.

Este módulo de alimentación funciona a una frecuencia de reloj de 370 kHz. En el espectro de interferencia, la amplitud más alta (pico rojo: 68 dBµV) puede medirse en esta frecuencia. La densidad de amplitud de la tensión de ruido cae a un ritmo de aproximadamente 40 dB/década, lo que significa que no se puede observar una interferencia significativa sobre el 15º armónico. Sin embargo, solo sobre el 9º armónico el nivel de interferencia es superior que los 10 dB por debajo del límite para el detector estándar (línea azul oscuro).

La ecuación (3) de la sección 3 ahora puede ser usada para calcular un filtro de entrada LC idóneo. Debido a la frecuencia de conmutación relativamente baja, se selecciona un inductor con una SRF baja y una inductancia de 4,7 µH y se calcula la capacitancia de filtro.
    
        "C" _"f"  " = "  "1" /(〖"(2π ∙ 0.1 ∙ 370 kHz)" 〗^"2"  "∙ 4.7 µH" ) " = 3.9 µF"     (9)

El condensador de filtro seleccionado será el que tenga una capacitancia levemente mayor que 10 µF. La corriente de entrada máxima es calculada utilizando la ecuación (8) de la sección 3.

Este cálculo requiere la eficiencia de la placa de evaluación, la cual es determinada por la medición y en este caso tiene un valor de 91 %.
"I" _"in "  "= "  "5 V ∙ 2 A" /"6 V ∙ 0.91"  " = 1.83 A"
En la base de los cálculos de la inductancia de filtro y corriente de entrada ahora se puede seleccionar un inductor apropiado. Para este propósito se ha seleccionado un inductor sin blindaje de la serie Würth Elektronik PD2, de tamaño 5820. La figura 13 muestra el resultado de una medición de tensión de ruido con el filtro previamente determinado.

El nivel de interferencia medido a los 370 kHz de frecuencia de conmutación tiene un valor de 30 dBµV. Los niveles de todos los harmónicos son inferiores a 20 dBµV y por lo tanto están suficientemente atenuados. El nivel promedio en 370 kHz corresponde al nivel máximo y es 18 dB menor que el límite promedio de 47 dBµV. En la medición de estas interferencias conducidas en el contexto práctico, un índice de señal-ruido de estas dimensiones es absolutamente suficiente para confirmar la conformidad de esta medición.
El propósito de la medición de la tensión de ruido es demostrar la utilidad de un análisis de los potenciales de interferencia en el dominio del tiempo; no obstante, un análisis en el dominio de frecuencia sigue siendo indispensable.
Finalmente, las ecuaciones de la sección 3 pueden ser utilizadas para calcular una resistencia de atenuación.
"R" _"d"  " = " √("4.7 µH" /"10 µF" ) " = 0.686 Ω"
Mientras mayor sea el valor de la resistencia de atenuación, mayor será la atenuación de la resonancia de filtro. En este caso, se puede seleccionar la resistencia directamente mayor de la serie E12 de 1 Ω.
Para el condensador de atenuación se selecciona un valor de 47 µF. Este puede ser, por ejemplo, un condensador cerámico Würth Elektronik eiCap de la serie WCAP   CSGP.

Medición según IEC CISPR 22
Las mediciones anteriores se realizaron según las normas IEC CISPR16-2-1, como se describe en la sección 8. El uso de un LISN hizo posible el desacople asimétrico de la tensión y su adaptación a la tensión asimétrica (modo común), la que posteriormente fue comparada con el límite, obtenido de la norma IEC CISPR para dispositivos para uso privado y comercial (clase B). Para componentes de fuentes de alimentación —y esto incluye todos los tipos de controladores de conmutación— no existe una norma EMC directamente aplicable. Toda la aplicación en la que se utilice el controlador de conmutación debe ser asignada a una categoría específica de dispositivo y después ser puesta a prueba según los estándares correspondientes aplicables para el producto o la familia de productos. En este caso, se tomó la norma para familias de productos IEC CISPR 22 para instalaciones de TI solo como referencia a los límites, los que se encuentran también indicados en la norma general IEC 61000-6-3. Las normas genéricas pueden ser utilizadas en casos en los que no existe una norma específica para el dispositivo en cuestión.

Resumen
Independientemente del tamaño del componente de AC involucrado, un filtro de entrada sigue siendo un factor indispensable para una exitosa validación de EMC de un controlador de conmutación. Se pueden utilizar ecuaciones de fácil aplicación para calcular tal filtro de entrada de forma individual. El considerar las impedancias del filtro y del controlador de conmutación en las ecuaciones, permite evitar oscilaciones y asegura también estabilidad de control para el controlador de conmutación mismo. La selección específica de los componentes del filtro sienta las bases para un diseño óptimo del filtro. Contando con un nivel adecuado de competencias técnicas en métodos de prueba de EMC, los desarrolladores de hardware pueden diseñar sus conmutadores para determinados propósitos y, de ser necesario, hacer todo tipo de ajustes al propio filtro.

Autores: Ranjith Bramanpalli y Steffen Schulze