Solución de problemas de EMI causados ​​por resonancias estructurales

¿Te ha pasado a tí? Al solucionar un problema de interferencia electromagnética (EMI), probó varias combinaciones de componentes y vio que la señal de interés se redujo. Pero otra señal de frecuencia se elevó inesperadamente por encima de la línea límite. O bien, introdujo un plano de chasis en su placa de circuito impreso (PCB), solo para descubrir que las emisiones radiadas empeoraron mucho en lugar de mejorar. Estos son casos típicos de "afinación de las resonancias de un circuito".

La mayoría de las emisiones EMI están relacionadas con resonancias estructurales. Las resonancias estructurales también son una de las principales razones por las que la compatibilidad electromagnética (EMC) puede ser desconcertante. Sin saberlo, los ingenieros suelen pasar días y meses ajustando las resonancias de un circuito añadiendo elementos pasivos como inductores y condensadores. A veces, tienen la suerte de llegar finalmente a una combinación que les daría un pase. Pero la mayoría de las veces, las soluciones son difíciles de encontrar.

Se ha realizado una gran cantidad de trabajo sobre el tema de las resonancias estructurales y se puede encontrar una descripción general de estos trabajos en la Referencia 1. También se presentan dos estudios de casos prácticos en la Referencia 1 para demostrar métodos para identificar, localizar y solucionar problemas de EMI que están asociados con resonancias estructurales.

La ingeniería de EMC a menudo requiere que los problemas se resuelvan (pero no se estudien) dentro de un tiempo limitado. Por lo tanto, se recomiendan técnicas que sean efectivas pero que también ahorren tiempo. Hay indicadores que señalan la presencia de resonancias estructurales, y los ingenieros pueden aprender a usar estos indicadores para ubicar la estructura resonante y solucionar los problemas de EMI. Este artículo también explora algunas técnicas prácticas para solucionar problemas de EMI causados ​​por resonancias estructurales. Se presentan estudios de casos para ilustrar estas técnicas.

Las siguientes condiciones deben cumplirse para que una estructura resuene:

Figura 1: Casos típicos de resonancias estructurales; (a) Dos PCB con una conexión por cable; (b) Dos gabinetes con el mismo punto de tierra.

En términos generales, existen tres métodos para localizar resonancias estructurales que incluyen las técnicas analíticas, de dominio de frecuencia y de dominio de tiempo.

Un enfoque analítico generalmente requiere experiencia y conocimientos técnicos para modelar/simular el sistema. Para sistemas pequeños con problemas conocidos, como el estudio de caso presentado en la Referencia 1, los cálculos matemáticos simples a menudo son lo suficientemente buenos para dar una estimación de la frecuencia de resonancia del dispositivo bajo prueba (DUT). A menudo, se logra un enfoque analítico ya sea mediante simulación de onda completa en 3D o algún software de EMC especializado.

El beneficio del enfoque analítico es que puede hacer una predicción antes de que se construya un prototipo, lo que hace que este enfoque sea popular en el diseño y desarrollo de aplicaciones automotrices, aeroespaciales y espaciales. A menudo, estas empresas tienen modelos de simulación que han sido validados en el pasado y que pueden modificarse fácilmente para un nuevo estudio. Pero para las empresas que no tienen modelos existentes, construir una simulación puede ser un viaje largo y costoso.

En el dominio de la frecuencia, hay dos técnicas principales. La medición de la potencia reflejada por un bucle de campo magnético se analiza en la Referencia 2 y el mismo método se demostró en la Referencia 1. Este método requiere un pequeño bucle de campo magnético para "olfatear" estructuras sospechosas, a menudo a nivel de la placa de circuito impreso. Williams introdujo una medición de campo lejano usando un analizador de espectro con un generador de seguimiento (ver Referencia 3). La salida del generador de seguimiento inyecta una señal de referencia en el dispositivo bajo prueba y se usa una antena para medir la señal de respuesta. Este método es particularmente útil en aplicaciones donde la tierra de la PCB resuena con el gabinete (chasis). Ambos métodos son prácticos y solo requieren una pequeña cantidad de configuración de prueba. El inconveniente de estos métodos es que a menudo se limitan a la investigación a nivel de placa de circuito impreso y no son útiles en sistemas grandes.

En el dominio del tiempo, a menudo se usa la medición de la corriente resonante con una sonda de monitoreo de corriente de RF cuando se inyecta un pulso en el sistema (consulte la Referencia 4). Esto sirve como una técnica efectiva cuando se trata de solucionar problemas de grandes sistemas o cuando se interconectan múltiples PCB.

La Tabla 1 resume las técnicas y los pros y los contras de cada método.

Se necesita mucho tiempo para construir con precisión un modelo.

La licencia para ejecutar el software puede ser costosa.

Estas técnicas se presentan y demuestran en la Referencia 1. Este artículo explora más enfoques prácticos basados ​​en las características de las resonancias estructurales.

Una de las características típicas de las resonancias estructurales es que las resonancias pueden aumentar la cantidad de emisiones debido a que el radiador final es más eficiente que el radiador original (ver Referencia 5). El siguiente estudio de caso demuestra el punto.

Durante las pruebas de emisión radiada de un vehículo eléctrico de gran tamaño, se encontró que un pico de banda estrecha a 222MHz excedía el límite (Figura 2a). Se comprobó que el ruido procedía de una cámara instalada en la cabina del vehículo. Se utilizaron múltiples ferritas en los cables de alimentación de la cámara, pero la mejora no fue lo suficientemente significativa como para suprimir el ruido (este es otro signo de resonancias estructurales). La prueba también mostró una "inconsistencia", ya que el mismo ruido se midió mucho más bajo en algunas ocasiones (como se muestra en la Figura 2b). Accidentalmente descubrimos que la diferencia en los resultados de emisión fue causada por la puerta del vehículo. Cuando la puerta estaba abierta, la emisión de ruido era significativamente menor que cuando la puerta estaba cerrada.

Figura 2: (a) Ruido a 222 MHz causado por la cámara de la cabina (b) cuando la puerta del vehículo estaba abierta

Por sí mismas, las cámaras de los vehículos y sus circuitos asociados, incluidos los cables de alimentación de 20 cm de largo, no eran un radiador eficiente en las frecuencias (y los armónicos) contenidos en los circuitos. Como se muestra en la Figura 3, cuando se cerró la puerta, se colocó cerca del área de la cámara. La puerta era principalmente de vidrio, pero el marco, junto con la estructura mecánica que unía la puerta, formaba parte del gabinete de metal y debería considerarse un problema de EMC. Aunque la puerta no estaba en contacto físico con la cámara, la capacitancia y la inductancia parásitas acoplaron la energía de RF de la cámara, y el ruido a 222 MHz se irradió de manera muy eficiente. A 222 MHz, un cable de longitud de media onda mide aproximadamente medio metro. La estructura que se muestra en la Figura 3 puede actuar fácilmente como una antena eficiente.

Figura 3: La puerta del DUT actúa como una antena más eficiente y aumenta las emisiones

Identificar y ubicar la resonancia estructural suele ser la parte más difícil del trabajo cuando se trata de la resolución de problemas de EMI. En este caso, tiene sentido que las ferritas de los cables de alimentación de la cámara no fueran eficaces, ya que no se suprimió el radiador final. Un enfoque más sensato es segregar la fuente de ruido protegiendo el cable de alimentación de la cámara con papel de aluminio y ubicándolo lejos de la puerta. Esto también sirve como una forma rentable de solucionar el problema. El ruido se redujo significativamente cuando se cerró la puerta, como se muestra en la Figura 4.

Figura 4: separando los cables de alimentación de la cámara con papel de aluminio, el ruido de 222 MHz se redujo significativamente.

En este estudio de caso, un dispositivo falló las pruebas de inmunidad (tanto inmunidad radiada como pruebas de inyección de corriente masiva (BCI)) en el rango de frecuencia de 200 y 400 MHz, y el rango de 800 y 900 MHz. En otros rangos de frecuencia, el dispositivo funcionó normalmente sin errores.

El PCB del DUT tiene un tamaño de aproximadamente 50 mm × 50 mm, formando un bucle de 200 mm de largo. La suposición era que los rastros y pistas en la PCB podrían haber formado una antena de cuadro eficiente dentro del rango de frecuencia de 200-350 MHz. La onda electromagnética viaja en un material FR4 a una velocidad de 1,5×108 m/s, según la ecuación v=λf, donde v es la velocidad de la luz en FR4 yf es la frecuencia. Para una onda de 200 MHz, la longitud de onda completa se calcula en 750 mm. Un cuarto de longitud de onda (donde la radiación es más fuerte) es 187,5 mm. El PCB en sí puede resonar en un rango de frecuencia de 200 MHz. Probablemente absorbería más energía de RF a 200 MHz (y sus armónicos) que se inyecta desde la fuente de ruido en las pruebas de inmunidad.

Usando una sonda de monitoreo de corriente de RF, medimos la RF delante y detrás de la PCB en la prueba de inmunidad, como se muestra en la Figura 5. Se realizó un barrido de frecuencia de 100 MHz a 1 GHz. El amplificador de RF inyectó el mismo nivel de ruido de RF en el cable del conector principal a través de una sonda BCI desde un rango de frecuencia de 100 MHz y 1 GHz. Los resultados se muestran en la Figura 6.

Figura 5: Configuración de prueba para medir la corriente de RF en dos ubicaciones del dispositivo bajo prueba, ubicación 1, antes de la placa de circuito impreso; ubicación 2: después de la placa de circuito impreso

Figura 6: Barrido de frecuencia entre 100 MHz y 1 GHz

El trazo amarillo mostró resultados en la ubicación 2 y el trazo rosa mostró los resultados en la ubicación 1. El trazo azul es la diferencia entre las dos mediciones. Básicamente, el perfil positivo que se muestra en el trazo azul (como se muestra desde los marcadores de punto de frecuencia 1 y 2 y desde los marcadores de punto de frecuencia 3 y 4) significa que la PCB amplifica la señal de entrada, mientras que con el resto del rango de frecuencia, la PCB atenúa la señal de entrada. Ruido RF (mostrado como perfil negativo). Ahora sabemos por qué tuvimos un problema de inmunidad entre 200 MHz y 400 MHz y entre 840 y 920 MHz.

La solución a este problema de inmunidad requiere un estrangulador de modo común (CMC) que funcione con mayor eficacia en el rango de frecuencia de interés, junto con condensadores de desacoplamiento. Los valores de capacitancia son 470pF ya que funcionan de manera efectiva en este rango de frecuencia.

Otro signo de resonancias estructurales es que las ferritas a menudo no funcionan con la eficacia que deberían. Por ejemplo, en el primer estudio de caso, las ferritas del cable de alimentación de la cámara no suprimieron el ruido como cabría esperar. El uso de una ferrita como elemento de filtro para reducir la resonancia del cable suele ser eficaz, ya que las ferritas son resistivas (con pérdidas) y deberían actuar como un elemento de amortiguación. Pero si la resonancia estructural principal no es el cable, agregar ferrita a veces agrega reflejos. Como resultado, el nivel de ruido permanece igual o cambia con la frecuencia.

La Figura 7 muestra la emisión conducida de un diseño de PCB recientemente desarrollado que creó un problema de resonancia entre 50 y 100 MHz. Como puede verse, el nuevo diseño mejoró el rendimiento de baja frecuencia de la PCB pero falló significativamente en alta frecuencia. Lo que los ingenieros descubrieron fue que, incluso con múltiples ferritas en el cable de alimentación, no se podía reducir la emisión conducida. En la frecuencia entre 50 y 100 MHz, el perfil de ruido se mantuvo alto.

Figura 7: Resultados de emisiones conducidas del PCB en desarrollo; trazo amarillo – ambiente, trazo rosa – diseño anterior, trazo azul – nuevo diseño

Durante la revisión del diseño, se descubrió que los ingenieros se habían olvidado de conectar el chasis y el plano de tierra de la PCB. Como resultado, el plano de tierra de la PCB comenzó a resonar con el chasis cuando el DUT estaba en funcionamiento. Se desarrolló un alto dV/dt en el plano de tierra con referencia al chasis, aumentando las emisiones. Una conexión rápida de cinta de cobre entre la tierra y los puntos del chasis en la PCB (que se muestra en la Figura 8a) redujo el ruido en más de 20 dB en el rango de frecuencia de interés (Figura 8b).

Figura 8: (a) conectando el chasis y el plano de tierra mediante conexiones de cinta de cobre (b) los resultados de las emisiones conducidas mejoraron significativamente

Al solucionar problemas de EMI, hay algunas señales que indican resonancias estructurales. Las resonancias estructurales aumentan las emisiones en el rango de frecuencia resonante (y sus armónicos) y también hacen que el sistema bajo prueba sea más sensible a la interferencia externa en la frecuencia resonante. A veces, la adición de ferritas no puede solucionar los problemas causados ​​por las resonancias estructurales, y la adición de condensadores cambia la frecuencia de resonancia. El primer paso para solucionar estos problemas es identificar y localizar la estructura resonante. Una vez hecho esto, la solución de los problemas a menudo implica aislar, amortiguar y mejorar las conexiones a tierra.

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El Dr. Min Zhang es el fundador y consultor principal de EMC de Mach One Design Ltd, una empresa de ingeniería con sede en el Reino Unido que se especializa en consultoría, solución de problemas y capacitación de EMC. Su profundo conocimiento en electrónica de potencia, electrónica digital, máquinas eléctricas y diseño de productos ha beneficiado a empresas de todo el mundo.

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