Control de EMI: Cómo seleccionar filtros EMC para electrónica de potencia

Resumen técnico: Las interferencias electromagnéticas (EMI) pueden perturbar la electrónica de potencia, aumentar los errores de datos e impedir que los equipos funcionen de forma fiable. En este artículo se explica cómo las interferencias radiadas y conducidas se acoplan a los circuitos y se diferencia el ruido de modo común del de modo diferencial. Se describe cómo los filtros de compatibilidad electromagnética (EMC) utilizan inductores de modo común, inductancia diferencial, capacitores X y capacitores Y para atenuar las corrientes no deseadas. Los factores de selección incluyen la pérdida de inserción, la impedancia de la fuente y de la carga, la corriente de fuga, la resistencia de corriente directa, las clasificaciones de voltaje y corriente, la configuración de fases, el montaje y la terminación. Los ejemplos de TDK ilustran filtros monofásicos, trifásicos y de corriente continua para aplicaciones exigentes industriales, energéticas, de TI y de comunicaciones. (Resumen cortesía de ChatGPT)

Los diseñadores de sistemas para aplicaciones exigentes, como la electrónica industrial, energética y de potencia, se enfrentan a una creciente presión para mantener el rendimiento y la fiabilidad en entornos hostiles y eléctricamente ruidosos. Con vehículos eléctricos (VE) de mayor voltaje, semiconductores de banda prohibida (WBG) más rápidos y mayores tasas de datos en serie, las fuentes y la gravedad de interferencias electromagnéticas (EMI) están aumentando. Esto aumenta la probabilidad de que la EMI pueda degradar el rendimiento del dispositivo, causar errores de datos o fallos físicos, añadir costos y, en el peor de los casos, comprometer la seguridad. Aunque las normativas mundiales de compatibilidad electromagnética (EMC) ayudan a minimizar los efectos del ruido en las líneas eléctricas y las EMI (interferencia electromagnética), el cumplimiento puede requerir rediseños y retrasar la comercialización.

Los diseñadores aprenden pronto a suprimir la EMI mediante filtrado, blindaje y puesta a tierra adecuada. Sin embargo, muchas fuentes EMI y opciones de filtrado requieren una atención cuidadosa a las técnicas y a la selección del dispositivo.

Este artículo analiza los retos de ruido e interferencia a los que se enfrentan los diseñadores en entornos difíciles. A continuación, presenta y explica cómo seleccionar y aplicar los filtros EMC de TDK para abordar eficazmente estos retos.

Las fuentes e impacto de la EMI

La EMI es una perturbación eléctrica, interna o del entorno, que afecta a un circuito eléctrico mediante acoplamiento magnético, capacitivo o directo por conducción. Las EMI pueden degradar el rendimiento de un circuito o incluso impedir que funcione. En interfaces de datos seriales, los efectos de la EMI pueden variar desde un aumento de la tasa de error hasta una pérdida total de datos. La susceptibilidad electromagnética (EMS) mide la vulnerabilidad de un dispositivo ante la EMI y determina la capacidad de un dispositivo o sistema electrónico para funcionar correctamente cuando se expone a campos electromagnéticos y electrostáticos externos.

La EMC es la capacidad de los dispositivos y sistemas eléctricos y electrónicos para operar correctamente en el entorno electromagnético ambiental sin causar o experimentar EMI inaceptables. Se puede considerar como la combinación de EMI y EMS. La EMC garantiza que los dispositivos puedan funcionar correctamente juntos sin interrumpir el funcionamiento mutuo.

La EMI se genera mediante cambios rápidos de voltaje o corriente dentro de un circuito. Las fuentes incluyen el arranque o apagado de un motor eléctrico, conmutación rápida de corriente en una fuente de alimentación conmutada (SMPS), conmutación lógica de alta velocidad en ordenadores o enlaces de datos seriales, y transmisiones de radiofrecuencia (RF). Estas fuentes acoplan energía electromagnética y electrostática en un dispositivo susceptible a través de la radiación o de trayectorias conductoras (Figura 1).

Figura 1: Las rutas de acoplamiento de EMI incluyen radiación directa, acoplamiento magnético y capacitivo. (Fuente de la imagen: TDK)

La EMI se propaga por radiación o conducción. Las emisiones radiadas son el resultado de la energía de radiofrecuencia (RF) irradiada a través del aire y captada directamente por el cableado de un dispositivo. La interferencia radiada se observa con mayor frecuencia a frecuencias más altas, típicamente de 30 MHz a 1,000 MHz.

La interferencia conducida se produce mediante acoplamiento magnético o capacitivo en los cables, las placas y la carcasa de un dispositivo. En la práctica, el transformador y el capacitor que se muestran son componentes parásitos, como cables en un campo magnético variable o conductores adyacentes en una placa de circuito. Las emisiones conducidas tienen un contenido espectral significativo de 150 kHz a 30 MHz. Este artículo se centra en la reducción del ruido conducido.

Comprender las corrientes de ruido EMI

La EMI induce ruido en los conductores de un circuito susceptible dependiendo del modo de conducción; existen dos tipos de ruido inducido: modo común y modo diferencial (Figura 2).

Figura 2: El tipo de ruido inducido depende del modo de conducción: modo común y modo diferencial. (Fuente de la imagen: TDK)

El ruido de modo común se comporta como si la fuente de ruido excitara ambas ramas del circuito en paralelo. La corriente inducida fluye en la misma dirección en ambas ramas del circuito afectado y regresa a tierra externa a través de una ruta de fuga. El ruido diferencial se comporta como si la fuente de ruido estuviera en serie con la fuente de señal y fluye en direcciones opuestas a cada lado del circuito. La supresión de estos componentes de ruido requiere dos estrategias distintas.

Reducción de la EMI

Los dos enfoques para reducir la EMI son controlar la disposición física y usar filtros apropiados. Los escudos magnéticos y de Faraday pueden atenuar las EMI radiadas, y una puesta a tierra cuidadosa puede proporcionar caminos de retorno alrededor de circuitos sensibles. Sin embargo, el filtrado es la técnica principal para controlar la EMI. Los filtros EMI utilizan componentes pasivos como capacitores, inductores y resistencias colocados en la línea de alimentación para reducir las corrientes de interferencia (Figura 3).

Figura 3: Se muestra un esquema simplificado de un filtro EMI diseñado para atenuar tanto el ruido en modo común como el ruido en modo diferencial. (Fuente de la imagen: TDK)

Los filtros de EMI bloquean y derivan las corrientes parásitas de modo común y de modo diferencial. El obturador de modo común (L_CM) impide la corriente de modo común tanto en los conductores de línea como en los neutros. En este ejemplo, el obturador de modo diferencial (L_DM) es la inductancia de fuga del obturador de modo común; está en serie con la corriente de modo diferencial e impide su flujo. El calibre del cable del inductor se elige para minimizar su resistencia de CC en serie.

Los capacitores C_X proporcionan una ruta de derivación para que las corrientes parásitas en modo diferencial regresen de línea a neutro, evitando que entren en el circuito protegido. Los capacitores C_Y derivan cada línea a tierra, lo que proporciona una ruta de derivación para esas corrientes.

La resistencia R_B es una resistencia de descarga o de drenaje que descarga los condensadores durante la pérdida de potencia para evitar descargas eléctricas. Estas resistencias son de alto valor, normalmente del orden de cientos de kilohmios (kΩ) o más.

En general, el filtro atenúa tanto las corrientes EMI en modo común como en modo diferencial. Estos filtros suelen ser simétricos y atenúan el ruido tanto en el lado de la fuente como en el de la carga. La efectividad del filtro se mide por su pérdida de inserción (Figura 4).

Figura 4: Las curvas de atenuación muestran la respuesta dependiente de la frecuencia de un filtro EMI frente al ruido en modo común y en modo diferencial. (Fuente de la imagen: TDK)

La atenuación en decibelios (dB) para ambos modos se mide y se muestra por separado. Una mayor atenuación indica un mejor rendimiento del filtro. La pérdida de inserción depende de la frecuencia y varía en todo el rango de frecuencias relacionado con el ruido. La línea vertical a 300 kHz se cruza con la curva de modo diferencial a -40 dB y con la curva de modo común a -30 dB, que son los valores de pérdida de inserción a esa frecuencia. Estas curvas se basan en impedancias de fuente y de carga estándar de 50 Ω. En la práctica, las impedancias de la fuente y de la carga suelen ser inferiores. Al comparar filtros, es importante analizar las gráficas exclusivamente para conocer la atenuación relativa.

Los filtros están disponibles en una variedad de tamaños y formas, según el voltaje y la corriente nominales que admiten y la cantidad de fases. También están disponibles con varias opciones de conexión, incluida una regleta de terminales (Figura 5).

Figura 5: Se muestra la disposición física de un filtro EMI monofásico con conexiones de regleta de terminales. (Fuente de la imagen: TDK)

El obturador de modo común, bobinado bifilar en un núcleo toroidal de ferrita, es el componente más grande. TDK, con una larga tradición en el diseño de ferrita, suele utilizar inductores de mayor valor y capacitores de menor valor para lograr la respuesta deseada. Los inductores más grandes limitan la corriente de irrupción, reducen las corrientes de fuga a tierra y aplanan la respuesta de frecuencia del filtro. Las opciones de conexión de los filtros TDK incluyen pines para placa de CI/ Placa CI para montaje de agujero pasante, lengüetas de conexión rápida, extremidades del hilo, postes roscados o una entrada de aparato IEC 320-C14 para la conexión directa del cable de línea.

Un filtro de EMI trifásico utiliza esencialmente un circuito de filtro para cada fase (Figura 6).

Figura 6: Se muestra un ejemplo de un filtro EMI trifásico de tres hilos (configuración en delta). (Fuente de la imagen: TDK)

El circuito incluye un solo obturador de modo común de tres bobinas. Los capacitores X se conectan entre fases para atenuar el ruido en modo diferencial, mientras que los capacitores Y conectan las fases a un punto común referenciado a tierra para atenuar el ruido en modo común. TDK también ofrece filtros trifásicos de cuatro hilos para sistemas en estrella que incluyen un conductor neutro.

Ejemplos de filtros EMI

Los filtros EMI de TDK están disponibles en una amplia gama de corrientes y tensiones, incluyendo configuraciones monofásicas, trifásicas de tres hilos y trifásicas de cuatro hilos. También están disponibles en una amplia selección de paquetes físicos y tipos de conexión (Figura 7).

Figura 7: Los filtros EMI de TDK ofrecen una amplia gama de potencias nominales, tamaños de carcasa y tipos de conexión. (Fuente de la imagen: TDK)

Un filtro EMI ampliamente utilizado es el tipo de entrada de potencia. Estos filtros se montan en un panel externo y se integran con un conector de entrada de potencia IEC 320-C14. El modelo RPA-2003RL de TDK (figura 7, arriba a la izquierda) es un filtro de línea monofásico con una capacidad nominal de 3 A y 250 V_CA. Tiene una resistencia de CC máxima de 150 miliohmios (mΩ). Este filtro integra un conector de entrada para aparatos IEC 320-C14 en la entrada y terminales de conexión rápida en la salida. Ofrece corrientes de fuga inferiores a 0,01 miliamperios (mA). Este modelo proporciona al menos 10 dB de atenuación para ruido en modo común de 0,4 MHz a 10 MHz y 15 dB de atenuación en modo diferencial de 1 MHz a 3  MHz.

El RSEN-2020D de TDK (Figura 7, arriba a la derecha) es un filtro de línea monofásico con una capacidad nominal de 20 A a 250 V_AC y una resistencia de CC máxima de 10 mΩ. Incluye un soporte de montaje de riel DIN para una instalación simplificada. Las conexiones se realizan a través de un bloque de terminales. Los terminales de conexión están integrados en el empaque, y tanto los tornillos como las cubiertas de los terminales son cautivos, lo que evita la caída o pérdida de hardware. Este filtro proporciona al menos 25 dB de atenuación para ruido en modo común desde 0,4 MHz hasta 20 MHz y 25 dB de atenuación en modo diferencial entre 0,3 MHz y 30 MHz.

El filtro RTEN-5006 (Figura 7, abajo a la izquierda) es un filtro trifásico de tres hilos (conectado en triángulo) con una corriente nominal de 6 A a 500 VCA. Tiene una resistencia de CC máxima de 145 mΩ. Las conexiones se realizan a través de un bloque terminal con tornillos cautivos y cubiertas. Este filtro proporciona al menos 25 dB de atenuación para el ruido en modo común de 0,2 a 10 MHz y 25 dB de atenuación en modo diferencial de 0,2 a 30 MHz.

Para líneas de corriente continua, los diseñadores pueden usar el RDEN-048050 (Figura 7, abajo a la derecha), un filtro de EMI homologado para 50 A a 48 V_CC con una resistencia máxima de CC de 3 mΩ. Está destinado a aplicaciones en tecnología de la información y comunicaciones. El RDEN-048050 proporciona al menos 30 dB de atenuación en modo común de 0,2 a 10 MHz y 25 dB de atenuación en modo diferencial de 0,7 a 30 MHz. Se utilizan pernos pasadores roscados o bornes para las interconexiones.

Selección de filtros EMI de TDK

TDK facilita la selección entre su amplia gama de productos de filtros de EMI a través de la página web de DigiKey Soluciones Avanzadas de Supresión de Ruido en Líneas de Potencia (Figura 8). La fila superior permite seleccionar el tipo de fuente de alimentación: monofásica, trifásica (de tres hilos), trifásica (de cuatro hilos) o de corriente continua. Al hacer clic en cualquiera de estas selecciones, la vista cambia al grupo de productos correspondiente.

Figura 8: Se muestra la guía de selección de filtros EMI de soluciones avanzadas de supresión de ruido en líneas de potencia de TDK. (Fuente de la imagen: DigiKey)

Dentro de cada grupo de modelos, la columna de la izquierda enumera la forma y el rendimiento del producto. La fila superior identifica las características especiales de los productos enumerados debajo de la etiqueta, tales como características multipropósito, de atenuación de pulso o de alta atenuación de amplio rango. El gráfico del lado derecho muestra el rango de corriente para cada modelo de filtro.

Los productos individuales se colocan dentro de cada grupo de modelos alineados con la etiqueta de característica adecuada. Al hacer clic en cualquier cuadro de contorno de producto, se abren las especificaciones detalladas del producto para todas sus variantes. Al seleccionar una variante específica, se abren los detalles del producto con un enlace a la hoja de datos.

Conclusión

TDK ofrece una amplia cartera de filtros para mitigar las EMI en una amplia gama de aplicaciones electrónicas, incluidos los sistemas de energía monofásicos, trifásicos y de CC. Proporcionan a los diseñadores de los sectores industrial, energético y de la electrónica de potencia una amplia gama de soluciones de supresión de ruido para respaldar el cumplimiento de la norma EMC.