Compatibilidade eletromagnética em conversores chaveados : uma comparação entre topologias e layouts em um estudo de caso

Abstract

Resumo: As emissões eletromagnéticas de conversores chaveados geralmente possuem valores elevados e são de difícil diagnóstico. Estas emissões são causadas pelos altos níveis de tensão e corrente, associados às transições rápidas de amplitudes em chaves eletrônicas. Um dos casos onde existem valores elevados de emissões eletromagnéticas são em conversores chaveados voltados para geração de campos magnéticos pulsados de alta intensidade. O gerador de campos magnético pulsado estudado nesse trabalho é um aparelho capaz de gerar pulsos de corrente de até 2500 A em dezenas de microssegundos. Essa corrente quando aplicada a uma bobina adequada, possibilita a geração de campos magnéticos pulsados de até 10 T, sendo utilizado para estudos em materiais magnéticos. Para auxiliar no diagnóstico desse conversor, foi utilizada uma câmara anecoica associada a equipamentos de medição de campos eletromagnéticos, tendo como base as orientações contidas nas normas de compatibilidade eletromagnética CISPR 11 e 16. Além disso, foram desenvolvidas duas técnicas complementares de diagnóstico de emissões, que possibilitaram a análise de sinais transitórios e a avaliação de emissões em campo próximo. Para análise de transitórios, os sinais foram adquiridos no domínio do tempo e convertidos para o domínio da frequência através da FFT, fornecendo um resultado equivalente a um analisador de campos com detector de quase-pico. Foram implementadas diversas correções na FFT, de modo a possibilitar medidas mais exatas e comparáveis às obtidas em instrumentos que operam no domínio da frequência. Como vantagens da técnica de FFT, obteve-se uma redução significativa nos tempos de aquisição, além da facilidade na análise de sinais transitórios. Para a avaliação das emissões em campo próximo, foi desenvolvido um scanner 3D com sondas de campo próximo elétrico e magnético, capaz de varrer placas de circuito impresso levando em conta a altura dos componentes. Como resultado, obtém-se mapas bidimensionais do campo elétrico ou magnético nas frequências de interesse, para uma dada altura em relação ao circuito. Com o auxílio dessas ferramentas foi realizado um estudo detalhado do conversor chaveado utilizado no aparelho estudado neste trabalho. Com o resultado desses diagnósticos, foram desenvolvidas novas placa de circuito impresso e topologias de circuito que possibilitaram a redução dos problemas de interferência eletromagnética inicialmente encontradas no equipamento estudado. Isso também permitiu realizar um estudo aprofundado e avaliar o impacto de diversas técnicas de layout, blindagens, planos de referência, além de aspectos de componentes e circuitos, visando à adequação dos conversores chaveados às normas de EMC. Palavras-chave: Layout de placa de circuito impresso. Conversores chaveados. Scanner de campo próximo. Medidas de emissões durante transitórios. Diagnóstico de EMI.

Abstract: The electromagnetic emissions of switched converters have generally high values and are difficult to diagnose. These emissions are caused by high voltage and current levels associated with fast transitions of amplitudes in electronic switches. One of the cases where there are high values of electromagnetic emissions are in switched converters used to the generate high intensity pulsed magnetic fields. The pulsed magnetic field generator studied in this work is an equipment capable of generating current pulses up to 2500 A in tens of microseconds. This current, when applied to a suitable coil, allows the generation of pulsed magnetic fields up to 10 T and is used for studies on magnetic materials. In order to help in the diagnosis of this converter, an anechoic chamber associated with electromagnetic field measurement equipment was used, based on the guidelines contained in electromagnetic compatibility standards CISPR 11 and 16. In addition, two complementary techniques of emission diagnosis were developed, which made possible the analysis of transient signals and the evaluation of emissions in the near field. For transient analysis, the signals were acquired in the time domain and converted to the frequency domain through the FFT, providing an equivalente result of an field analyzer with quasi-peak detector. Several corrections have been implemented in the FFT, in order to get more accurate and comparable measurings to those obtained in frequency domain instruments. As advantages of the FFT technique, a significant reduction in the acquisition times was obtained, besides the facility in the analysis of transient signals. For the evaluation of emissions in the near field, a 3D scanner with near electric and magnetic field probes was developed, able to scan printed circuit boards taking into account the height of the components. As a result, two-dimensional maps of the electric or magnetic field are obtained at the frequencies of interest for a given height relative to the circuit. With the aid of these tools a detailed study of the switched converter used in the equipment studied in this work was carried out. With the result of these diagnoses, new printed circuit board and circuit topologies were developed that allow the reduction of the problems of electromagnetic interference initially found in the studied equipment. This also allowed to carry out an indepth study and to evaluate the impact of various layout techniques, shields, reference planes, as well as aspects of components and circuits, in order for the switched converter to comply with EMC standards. Key-Word: Printed circuit board layout. Switching Converters. Near Field Scanner. Measurement of emissions during transients. Diagnosis of EMI.