Análisis de la atenuación de emisiones conducidas
en sistemas complejos
Julio Guillermo Zola
#1
, Pablo Marino Belcaguy
#2
, Federico Gabriel D´Angiolo
#3
#
Laboratorio de Circuitos Electrónicos, Dto. de Electrónica, Facultad de Ingeniería, Universidad de Buenos Aires
Paseo Colón 850 (1063), CABA, Argentina
1
jzola@fi.uba.ar
2
pablo.marino.belcaguy@gmail.com
3
federicogd2009@gmail.com
Abstract— The analysis and attenuation of electromagnetic
interference (EMI) in complex electronic systems is an
important issue to take into account in the design of these
systems, due to malfunctions that may be caused by such
interferences. In this paper the particular design of a filter to
reduce spurious currents or conducted emissions from
different DC to DC converters that are part of a complex
system, is described. This design includes a method to help to
reduce conducted emissions from these converters. While
design criteria are oriented to a particular system, this study
can be applied generically to any system where it is necessary
to evaluate EMI.
Resumen— El análisis y atenuación de la interferencia
electromagnética (EMI) en sistemas electrónicos complejos
resulta un aspecto de importancia a tener en cuenta en su
diseño, debido al mal funcionamiento que pueden provocar
estas interferencias en dichos sistemas. En el presente trabajo
se describe el diseño particular de un filtro para atenuar las
corrientes espurias o emisiones conducidas provenientes de
distintos conversores de continua a continua que forman parte
de un sistema complejo. Incluye este diseño un método para
ayudar a reducir las emisiones conducidas desde dichos
conversores. Si bien, los criterios de diseño usados están
orientados para la electrónica de un sistema particular, este
estudio puede aplicarse en forma genérica a cualquier sistema
donde sea necesario evaluar EMI.
I. INTRODUCCIÓN
En muchos sistemas donde existen dispositivos
semiconductores que conmutan, se producen corrientes
indeseadas las cuales se propagan por todo el sistema a
través del conexionado. Según la topología de dicho sistema,
se define la forma en la cual dichas corrientes terminan
contribuyendo, como por ejemplo el caso en que todos los
subsistemas se encuentren conectados a una línea principal
de alimentación o bus principal [1]. En el presente trabajo,
estas corrientes espurias se generan en convertidores o
conversores de continua a continua (DC-DC). Estas
corrientes espurias en los DC-DC, que ya han sido
modelizadas en trabajos anteriores [2], se propagan a través
del cableado de alimentación hacia distintos bloques
circuitales que componen un equipamiento complejo. El
efecto de estas corrientes o emisiones conducidas (CE)
puede traer como consecuencia la degradación del
funcionamiento de cada bloque, provocando así el deterioro
general del sistema. La inmunidad de cada bloque en
general se evalúa mediante ensayos de susceptibilidad
conducida (CS) o inmunidad conducida [3,4].
Por ejemplo, si algún bloque que se conecta a esta línea
de alimentación contiene circuitos digitales, estos podrían
producir errores en las codificaciones digitales, provocando
así su mal funcionamiento. Otro ejemplo se da en la emisión
y recepción de imágenes, es decir en un sistema que se
encuentra constantemente transmitiendo imágenes a través
de señales. Si dichas señales digitales son afectadas por las
CE, puede ocurrir que las imágenes recibidas sean confusas
o no tengan el suficiente detalle requerido.
Para poder evaluar la influencia de estas corrientes
espurias, se debe analizar la interferencia electromagnética
sobre el sistema (EMI), que es la emisión de energía
electromagnética que degrada o perjudica la calidad de una
señal [2,5,6]. Por otro lado, debe evaluarse asimismo la
compatibilidad electromagnética (EMC), es decir la
habilidad de un sistema de no causar EMI a otros equipos,
así como de ser insensible a las emisiones que puedan
causar otros sistemas [7]. Tanto las CE como la CS son
evaluadas mediante ensayos dedicados y existen normas
bien conocidas al respecto [8,9,10,17].
II. PROPAGACIÓN DE LAS EMISIONES CONDUCIDAS
Se puede decir que existe por un lado un equipo
“culpable” encargado de emitir las interferencias y por otro
un equipo receptor o “victima”, que recibe las interferencias,
tal como se muestra en el esquema de la Fig. 1 [11].
Fig. 1. Emisor y receptor de las interferencias.
En este caso se toma como equipo emisor a un DC-DC,
pero en general los circuitos electrónicos de potencia son los
equipos “culpables”, ya que para mejorar su rendimiento
trabajan en conmutación. Los dispositivos que producen
esta conmutación (diodos, transistores, etc.) conectan y
desconectan niveles elevados de corrientes y tensiones.
Estas conexiones y desconexiones producen señales
eléctricas no deseadas que afectan a otros equipos
electrónicos y que dan origen a las EMI.
En la Fig. 2 se muestran las variaciones temporales de
corrientes y tensiones que tienen mayor contribución a las
CE en un DC-DC básico de tipo flyback [12]. Al conmutar
el transistor, se producen corrientes que tienen un alto
contenido armónico. La corriente en el transformador
evoluciona linealmente con la tensión aplicada en sus
terminales, por lo tanto esta tensión también contribuirá al
espectro agregando componentes armónicas.
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Recibido: 31/10/16; Aceptado: 10/07/17
Estas señales espurias pueden transmitirse de dos formas:
por radiación (transmisión por el espacio) o por conducción
(CE). O sea, en este último caso, las señales se transmiten a
través de los conductores [5]. Un modo de transmisión
domina frente al otro dependiendo de la frecuencia y las
longitudes de onda (más específicamente de la longitud
eléctrica del medio en el que se propaga, es decir de la
relación entre la longitud de onda y la longitud física) [2,6].
Las CE están comprendidas en un rango de frecuencias
hasta 30MHz o 50MHz aproximadamente, mientras que las
EMI por radiación se encuentran por encima hasta 1 GHz,
estando sus valores normalizados hasta los 40GHz
[5,8,9,10].
(a)
(b)
Fig. 2. (a) Circuito básico de un DC-DC tipo flyback. (b) Corriente en el
primario del transformador, tensión en el drenaje y tensión sobre el diodo.
Las CE, al propagarse por medio de cables o conductores,
se pueden transmitir de dos formas: en modo diferencial
(MD) o en modo común (MC) [5,13]. En el primer caso las
señales viajan en sentido opuesto entre dos líneas que llegan
a un mismo bloque, tal como muestra la Fig. 3a. En el
segundo caso, las señales se propagan en el mismo sentido
con respecto a tierra o chasis (0V), tal como se muestra en la
Fig. 3b.
Cuando el DC-DC es parte de un sistema más complejo,
una forma de atenuar estas corrientes espurias, es conectar
un filtro LC entre el equipo emisor y el receptor de las CE.
Se propone un filtro LC y no RC, dado que los niveles de
corriente por el bus, provocarían pérdidas de potencia.
La necesidad del agregado de este filtro en forma externa
y no interno en el DC-DC, se puede deber a causas diversas
tales como: peso del equipo, dimensiones, costos o
simplemente porque se utiliza un DC-DC comercial sin
posibilidad de realizarle modificaciones a su diseño.
En la Fig. 3c se muestra un sistema genérico, donde se
justifica la ubicación del filtro LC: una fuente eléctrica
alimenta a través de una línea o bus de alimentación
diferentes bloques (que representan otros componentes
conectados al mismo bus de potencia, en la tensión de
alimentación primaria del DC-DC) y en particular a un DC-
DC que alimenta a su vez a otros bloques funcionales “X”,
conectados al secundario del DC-DC. Se asume que el
capacitor de salida del DC-DC atenuará las CE de alta
frecuencia hacia el bloque “X”, por lo que el sentido de las
CE a través del sistema será el indicado por las flechas. Es
decir, el estudio se centra en las CE del lado primario del
DC-DC. En la Fig. 3d se observa una forma de medición de
las CE a la entrada y salida del filtro.
(a)
(b)
(c)
(d)
Fig. 3. (a) Propagación de CE en MD. (b) Propagación de CE en MC. (c)
Sistema genérico mostrando los sentidos de circulación de CE y la
ubicación del filtro LC. (d) Método de medición de las CE a la entrada y
salida del filtro, utilizando puntas de corriente.
III. DISEÑO DEL FILTRO
Para diseñar el filtro deben evaluarse los perfiles o
máscaras propuestos para el sistema particular, que son
gráficas que indican los máximos niveles permitidos de CE
dentro de un rango de frecuencias determinado. Con estas
máscaras se puede deducir la atenuación que debe tener el
filtro. Debe cumplir además con algunas condiciones
impuestas por el sistema y por su circuitería interna (por
ejemplo, valores límite de inductancia, capacitancia, tamaño,
etc.). Por ejemplo, en un sistema complejo tal como la
electrónica de un avión, resulta de suma importancia el peso
y tamaño del filtro a diseñar, así como el tipo de
componentes que se utilicen ya que deben resistir
condiciones extremas, tales como bajas temperaturas y
fuertes vibraciones, por citar algunos ejemplos. Asimismo,
el valor de inductancia del filtro a conectar a la entrada de
un DC-DC podría provocar un funcionamiento inestable en
el conversor si su valor superase un máximo determinado.
Para obtener la característica de transferencia que debe
cumplir el filtro, hay que considerar el perfil de CE que se
tiene del DC-DC y el perfil al que se desea llegar o que
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impone el sistema. En la Fig. 4a se muestra la máscara de
CE en MD provenientes del DC-DC, es decir los niveles
máximos emitidos por el DC-DC en MD. La máscara de CE
es función de las características de la unidad de potencia
dada por sus características constructivas y de diseño. Por
otro lado, la Fig. 4b muestran los límites máximos
aceptados en el receptor o equipo víctima, también
denominado máscara.
(a)
(b)
Fig. 4. (a) Máscara de CE en MD provenientes de un conversor DC-DC,
(b) Máscara de CE en MD requerida a nivel del equipo receptor.
En general, para analizar las EMI se emplean como
unidades de medida dbuA y dbuV [14], como se ve en (1).
A
I
Adb
1
log20
1
;
V
V
Vdb
1
log20
1
(1)
Tomemos el siguiente ejemplo: si diez DC-DC
destinados a alimentar a un conjunto de bloques funcionales
se conectan a un bus de alimentación, la máscara de la Fig.
4b representará los niveles máximos que pueden recibir
dichos bloques conectados al bus cuando los diez DC-DC se
encuentran en funcionamiento.
Conociendo entonces los niveles de CE para un DC-DC,
se estiman los niveles de CE que emiten diez DC-DC. La
contribución de CE de los diez DC-DC se hará sumando los
respectivos valores eficaces de sus corrientes espurias (suma
cuadrática), tal como se muestra en (2). No se considerará el
peor caso, dado por la suma aritmética directa de las
corrientes, ya que resulta improbable que estén en fase.
1
2
1
2
10
2
2
2
1
.1010... IIIIII
total
(2)
donde I
i
es la corriente que entrega el DC-DC i-ésimo.
Teniendo en cuenta que 20.log (10)
1/2
= 10 db, la
máscara para diez conversores DC-DC será como la
indicada en la Fig. 4a pero desplazada 10db, tal como se
muestra en la Fig. 5.
Fig. 5. Máscara de CE provenientes de diez conversores DC-DC.
Con este último dato y la máscara de CE a nivel del
equipo víctima, se puede aplicar la expresión (3) y obtener
la atenuación del filtro requerida, que se muestra en la Fig. 6.
)()()(
0
AdbIAdbIdbAtt
total
(3)
donde I
0
es la corriente debida a las CE atenuadas por el
filtro.
Fig. 6. Atenuación del filtro conectado a la entrada de diez DC-DC.
En la Fig. 6 se muestra la atenuación teórica del filtro
para el ejemplo dado. El hecho de que por encima de los
20kHz ya no atenúe de igual modo, no es necesario tenerlo
en cuenta en la implementación del filtro. Un filtro pasa
bajos con el valor de transferencia adecuado a 20kHz,
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atenuará todas las componentes de frecuencias superiores a
2kHz.
En la Fig. 7 se muestra un filtro genérico que cumple con
gráficas similares a la Fig. 6 (salvo el cambio de pendiente
en la atenuación, como se explicó en el párrafo anterior)
tanto para MD como para MC. El bloque formado por Ld y
Cd será el encargado de atenuar las CE de MD. Su forma
simétrica resulta indicada para la atenuación de estas CE.
Por otro lado, para atenuar las CE de MC, se agrega un par
de inductores acoplados Lc colocados en la rama serie del
filtro. Los bornes homólogos de estos inductores se
encuentran del mismo lado y dado que las corrientes de MC
se propagan en el mismo sentido, producen campos
magnéticos con la misma orientación que al enfrentarse se
cancelan. De esta forma, los inductores acoplados presentan
una alta impedancia al flujo de corrientes de MC, pero una
baja impedancia para MD, es decir no intervienen en el
filtrado del MD.
Fig. 7. Circuito esquemático del filtro (el esquema y los valores son sólo de
referencia).
Las capacitancias Cc son las parásitas respecto de tierra
que presenta el sistema, cuyos valores dependerán del
sistema en particular, pero podrían estimarse en los nF. En
MD no tienen influencia pero sí en MC, ya que las CE
retornan a tierra a través de ellas. En particular, para MC el
filtro puede reducirse al indicado en la Fig. 8 [15].
Fig. 8. Equivalente del filtro en MC.
Por lo tanto, el proceso de diseño del filtro sería, obtener
el bloque que atenúa el MD y luego, conocidos Ld y Cd,
obtener Lc a partir del circuito de la Fig. 8. Teniendo en
cuenta los valores de la Fig. 7, Lc sería de 200mH,
aproximadamente.
IV. SOLUCIÓN ALTERNATIVA PARA REDUCIR EL MODO
COMÚN
En ocasiones, en sistemas complejos, la limitación en los
valores de los componentes a utilizar en el filtro, por las
razones dadas en cuanto al peso, espacio, etc., podrían
limitar su eficacia. Especialmente en nuestro ejemplo, el
valor de Lc obtenido para la adecuada reducción de las CE
de MC implica construir inductores acoplados de tamaño y
peso que pueden ser excesivos para los requerimientos del
sistema bajo estudio.
No serviría aumentar la capacitancia en paralelo Cc para
compensar una disminución de Lc, dado que ello traería
como consecuencia una reducción de la aislación eléctrica
del sistema. Por ello, se analiza una solución alternativa, la
cual consiste en mantener el par de inductores Lc, pero con
valores mucho menores al calculado y agregar una red
circuital en el DC-DC que ayude a reducir las CE de MC
que emite.
En los DC-DC la capacidad distribuida en el
transformador favorece la conducción de corrientes en MC.
En un transformador ideal, las corrientes de MC no tendrían
lugar dado que no producen una diferencia de potencial en
el primario. En un transformador real, las capacitancias
parásitas existentes entre primario y secundario debido a la
separación entre los devanados así como al tipo y espesor
del dieléctrico que los separa, pueden producir un camino
posible para las corrientes de MC [16]. Estas capacitancias
se las puede representar en forma distribuida en ambas
ramas, tal como se muestra en la Fig. 9. Esta distribución no
tiene por qué ser uniforme, por ejemplo por irregularidades
en el espesor del dieléctrico. De esta manera, habrá un
desbalance en el flujo de corriente en cada rama, o sea
aparecerán corrientes de MD debidas a señales de entrada
de MC.
Fig. 9. Efecto de las corrientes de MC sobre un transformador real.
Como la distribución de las capacitancias parásitas
dependerá de la construcción del transformador, para
solucionar este desequilibrio entre las corrientes de MC, se
plantea una modificación como la indicada en el ejemplo de
la Fig. 10, donde se muestra un modelo de señal de un DC-
DC similar al indicado en la Fig. 2a, con el agregado de un
capacitor Cf.
Fig. 10. Circuito de señal del DC-DC con el agregado de Cf para equilibrar
las corrientes de MC.
Las capacitancias Cap_parásita son las parásitas del
transformador, R_MOS es la resistencia que presenta el
transistor MOS en la conmutación y el filtro formado por
C1 y R1 forma parte del circuito de conmutación. Los
valores de las cargas equivalentes para la señal común,
R_carga, representan al diodo de rectificación del conversor
en conjunto con su respectiva carga. El capacitor agregado
Cf muestrea la tensión del secundario e inyecta su corriente
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al circuito del primario. El propósito es el de producir un
equilibrio entre ambas ramas del circuito. Si la corriente en
el secundario por la rama inferior fuese mayor respecto de
la superior, la tensión respecto de tierra sobre R_carga_2
aumenta. En ese caso, se inyecta corriente a la entrada por
Cf. Esto produce una disminución en la tensión del terminal
homólogo del primario, bajando consecuentemente la
tensión en el terminal homólogo del secundario. Para que
esta realimentación sea efectiva, el valor de Cf no debería
ser muy cercano al de los componentes parásitos ni muy
grande como para reducir seriamente la aislación del
transformador.
V. CONCLUSIONES
El análisis de las CE y su reducción resulta ser un punto
importante a tener en cuenta al implementar sistemas
electrónicos complejos. Se debe buscar, especialmente al
tratar de reducir las CE de MC, en buscar soluciones
alternativas que permitan el uso de componentes de menor
tamaño y peso, sin afectar la aislación eléctrica.
Fig. 11. Medición de CE en MC con filtro conectado.
La solución propuesta en este trabajo lo logra en
principio, tal como puede observarse en la Fig. 11, donde se
muestra el resultado de mediciones sobre el sistema ante
excitaciones de señales espurias de MC. La atenuación
alcanza los 10db aproximadamente, por la acción del filtro
conformado por el par de inductores Lc y el capacitor Cf en
el DC-DC.
Asimismo, como se muestra en la Fig. 12, el bloque MD
del filtro de la Fig. 7 resulta muy eficiente para atenuar la
incidencia de señales espurias de MD, las cuales se ubican
muy por debajo de la máscara correspondiente. Puede
notarse además que la inclusión de la etapa MC, junto con
el capacitor Cf de realimentación entre primario y
secundario del DC-DC, no afecta a la atenuación de las
señales de MD.
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[17] Space Engineering. Electromagnetic Compatibility, ECSS-E-ST-20-
07C, 2008.
Fig. 12. Medición de CE para MD, agregando y quitando las etapas que
atenúan el MC.
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