EMI irradiata da un convertitore buck

I problemi EMC irradiati nelle gamme HF/VHF sono tipici nei prodotti con alimentatori a commutazione (SMPS) come ad esempio i convertitori flyback e buck. Solitamente non è necessaria una potenza elevata per irradiare segnali ben oltre i limiti EMC legali.

L'argomento di questo mese è legato alla risoluzione di un problema di EMC irradiato nella gamma VHF da un prodotto a bassa potenza (decine di watt).

La Figura 1 mostra il campo irradiato rispetto ai limiti CISPR ottenuti in una camera semi anecoica, con il prodotto posizionato a 1,0 m sopra il piano del suolo, su un tavolo di legno e a 3,0 m dall'antenna ricevente (polarizzazione orizzontale).

Figura 1: Il problema della EMC irradiata dai test.

Il mancato rispetto delle normative nel sistema originale (traccia verde) era situato intorno a 145 MHz. L'antenna del prodotto era il cavo di alimentazione di rete (per confermarlo è stato utilizzato il movimento del cavo e una grande ferrite toroidale).

Come al solito (e consigliato), il passo successivo del progetto è stato trovare la fonte del segnale EMI per trovare una soluzione a basso costo/dimensioni.

Una sonda a campo vicino è stata utilizzata attorno alle parti dell'apparecchiatura: due piccoli PCB (circuiti stampati), alcuni cavi, una piccola tastiera, un display e una scatola metallica. La fonte delle interferenze elettromagnetiche era situata attorno a un dispositivo LM25010SD in uno dei PCB. Questo dispositivo è un regolatore di commutazione buck step-down da 42 V, 1,0 A di National Semiconductor (ora Texas Instruments).

Il convertitore stava commutando vicino a 200 kHz, quindi come poteva un circuito così "a bassa frequenza" generare il segnale VHF?

I convertitori buck sono convertitori DC-DC step-down inclusi in molti prodotti di consumo, informatici e di comunicazione per la loro semplicità e il basso costo. Il convertitore buck è un alimentatore a commutazione (SMPS) che utilizza un induttore, un condensatore, un transistor e un diodo che immagazzina energia nell'induttore e la scarica periodicamente nel carico, come mostrato nella Figura 2.

Figura 2: Schema del convertitore buck e funzionamento con Q1 ON e OFF.

Una descrizione completa di questa topologia può essere trovata in molti libri sull'argomento.

Per comprendere il problema, è stato utilizzato nuovamente il segnale della sonda magnetica in campo vicino ed è stata rilevata un'attività molto elevata sulle tracce (A) e (B) nella Figura 2.

È stata utilizzata una sonda di corrente da 1 GHz come mostrato nella foto della Figura 3a per visualizzare la corrente attraverso il diodo D1 su un Agilent DSO7104B (traccia rossa).

Secondo l'analisi teorica di buck, la corrente attraverso il diodo era quasi triangolare ma è stato rilevato un transitorio ad alta velocità nel momento in cui il diodo veniva spento.

È stato eseguito uno zoom della misurazione della sonda corrente rilevando uno squillo ad alta frequenza (traccia blu) a 146,2 MHz come mostrato nella Figura 3b. Il segnale viene confrontato con quello della sonda a campo vicino sulla parte superiore del convertitore (traccia rosa).

Figura 3: Corrente del diodo e tensione del catodo (a) e corrente del diodo e dettaglio della sonda a campo vicino (b).

Per aggiungere un po' di smorzamento al comportamento risonante derivante dall'effetto di recupero del diodo, nella traccia (A) è stata inclusa una piccola sfera di ferrite SMD in serie con l'uscita dell'LM25010SD (l'uscita del MOSFET).

Lo squillo sulla misurazione corrente del diodo è scomparso ed è stato eseguito un nuovo test in camera semianecoica ottenendo la curva nera per il sistema fisso in Figura 4.

Figura 4: emissioni originali (verdi) e finali (nere).

Il mio ultimo consiglio: in caso di problemi EMC, provare a localizzare la fonte negli oscillatori interni, sotto risonanze smorzate o oscillazioni parassite. Se trovi l’origine, le soluzioni sono più efficaci, economiche e piccole.

Arturo Mediano ha conseguito il M.Sc. (1990) e il dottorato (1997) in Ingegneria Elettrica presso l'Università di Saragozza (Spagna), dove ha tenuto una cattedra in EMI/EMC/RF/SI dal 1992. Dal 1990, è stato coinvolto in ricerca e sviluppo progetti in ambito EMI/EMC/SI/RF per le comunicazioni, l'industria e le applicazioni scientifico/mediche con una solida esperienza nella formazione, consulenza e risoluzione dei problemi per aziende in Spagna, USA, Svizzera, Francia, UK, Italia, Belgio, Germania, Canada, Paesi Bassi, Portogallo e Singapore. È il fondatore di The HF-Magic Lab®, un laboratorio specializzato per la progettazione, la diagnostica, la risoluzione dei problemi e la formazione nei campi EMI/EMC/SI e RF presso I3A (Università di Saragozza), e dal 2011 è istruttore per Besser Associates (CA, USA) offre corsi pubblici e in loco su argomenti EMI/EMC/SI/RF negli Stati Uniti, in particolare nella Silicon Valley/San Francisco Bay Area. È Senior Member dell'IEEE, membro attivo dal 1999 (Chair 2013-2016) del Technical Committee MTT-17 (HF/VHF/UHF) della Microwave Theory and Techniques Society e membro della Electromagnetic Compatibility Society. Arturo può essere raggiunto a [email protected]. Web: www.cartone animatotronics.com.