Os filtros front-end (ou de linha de alimentação) são utilizados nos conversores CC/CC para atenuar a interferência eletromagnética (EMI). Estes podem ser projetados sob medida ou adquiridos comercialmente para que um projeto com uma fonte de alimentação de modo de comutação (SMPS) ou um conversor CC/CC de um fornecedor esteja em conformidade com as normas regulamentares de compatibilidade eletromagnética (EMC) para emissões conduzidas e irradiadas (por exemplo, FCC, ETSI, CISPR, MIL-SPEC, entre outros).
Estes filtros são concebidos à medida com base na assinatura eletromagnética do equipamento de conversão de energia. Mas para satisfazer as necessidades do projeto elétrico é necessário ter em conta determinadas restrições de conceção elétrica (como picos de tensão e ondulação), mecânica (como vibração e choque) e ambiental (como a elevada altitude). Este artigo aborda considerações de conceção de filtros front-end e requisitos de ensaio para módulos de alimentação CC para equipamento militar.
O que é um filtro Front-End?
A conceção deste filtro de entrada é fundamental para cumprir com as normas e os objetivos de compatibilidade eletromagnética (CEM). Os filtros front-end ou filtros de entrada são utilizados para vários objetivos:
- Suprimir o ruído e as sobretensões que podem entrar no primeiro estágio da fonte de alimentação e,
- Diminuir o ruído emitido tanto ao nível da frequência (ou seja, a frequência de comutação) como dos seus harmónicos.
As fontes de alimentação comutadas são cada vez mais utilizadas na eletrónica e têm um amplo conteúdo espetral que pode ser conduzido para outras partes do circuito através do contacto físico e interferir com circuitos sensíveis próximos. O ruído torna-se um problema cada vez maior com velocidades de comutação mais elevadas, sobretudo quando os transístores que se ligam e desligam rapidamente podem causar interrupções no fluxo de corrente (o que provoca picos de tensão e ruído de alta frequência). Estas interrupções do fluxo de corrente podem ocorrer na entrada dos conversores buck (redutores), na saída dos conversores boost (elevadores) e tanto na entrada como na saída dos conversores flyback e buck-boost.
Fontes de ruído nos vários reguladores de tensão
A entrada do conversor buck CC/CC carateriza-se pela comutação rápida de ligar/desligar dos seus dispositivos de comutação, o que provoca correntes descontínuas com bordos de subida e descida acentuados (di/dt elevado) nos condensadores de entrada. Isto fará com que a frequência e vários harmónicos (frequentemente harmónicos de origem inferior) não estejam em conformidade. Um conversor de impulso que funcione em modo de condução contínua (CCM) sofrerá EMI à saída devido à necessidade de díodos de recuperação inversa rápida que, embora reduzam imenso as perdas de potência, terão um desvio de corrente (di/dt) muito mais agressivo e aumentarão a EMI.
No modo de condução descontínua (DCM), a ondulação da corrente primária é mais elevada. A ondulação criará um sinal variável que é conduzido para outras partes do sistema através de condutores que partilham um contacto comum.
EMI: Emissões Radiadas e Conduzidas
As emissões por condução estão geralmente associadas a frequências inferiores a 30 MHz, enquanto as emissões por radiação correspondem, geralmente, a frequências superiores a 30 MHz (frequentemente
entre 50 e 300 MHz). Mas existem ainda sobreposições entre as emissões por condução e por radiação. Numa fonte de alimentação comutada, os picos de tensão (dV/dt elevado) são frequentemente fontes de emissões por radiação. Como já foi referido, a EMI conduzida provém normalmente da corrente descontínua (di/dt elevado) e pode ser dividida em ruído no modo comum (CM) e no modo diferencial (DM).
Ruído diferencial e no modo comum
As correntes DM são, normalmente, dominadas por di/dt e fluirão entre a linha de alimentação e a via de retorno; o ruído DM domina as frequências mais baixas. É geralmente difícil alterar o comportamento de di/dt sem alterar o circuito. A redução de di/dt é geralmente conseguida através da utilização de um filtro passivo passa-baixo EMI (por exemplo, R-C, L-C, secção Pi, secção T, entre outros) para amortecer as oscilações causadas pelas correntes cortadas.
As correntes CM são, geralmente, uma função de dV/dt e fluirão entre cada uma das linhas de alimentação e a terra. Quando as correntes CM são acopladas em condutores ou cabos longos, o cabo pode atuar como uma antena que torna o ruído CM mais dominante em frequências elevadas. Dependendo do comprimento do cabo e da distância entre os condutores e o plano de terra de referência, a área de loop para caminhos de retorno não intencionais pode ser consideravelmente grande. O ruído CM pode ser suprimido de forma significativa através de uma conceção eficaz, tal como aproximar os condutores da placa de terra de referência, instalar condensadores de segurança com cuidado, proteger os feixes de cabos ligados ou colocar um bloqueador CM no caminho das correntes CM. Uma bobina CM também fornece um caminho em série de alta impedância que permite que as correntes CM fluam para fora do conversor com os condensadores Y formando um caminho de derivação para a terra EMI.
Tanto o DM como o CM contribuem para a EMI e, muitas vezes, os componentes de ruído do DM e do CM devem ser quantificados antes de projetar o filtro EMI para cumprir as normas EMC da indústria. A MI de entrada é normalmente quantificada utilizando uma rede de estabilização da impedância de linha (LISN) na entrada do dispositivo em ensaio (DUT), bem como um analisador de espetro.
Considerações sobre o projeto do filtro frontal
Em geral, a filtragem passiva de EMI é a abordagem mais comum para a atenuação do ruído mas pode ser difícil quando os filtros são terminados com fontes de ruído variáveis num SMPS e diferentes impedâncias de carga. Tipicamente, estes filtros consistem em vários arranjos de resistências, condensadores e indutores. A magnitude do componente fundamental e o primeiro par de harmónicos são os maiores e os que mais contribuem para o ruído global, enquanto a magnitude dos harmónicos de ordem superior diminui à medida que a frequência aumenta. A capacidade do filtro para atenuar estes componentes de ruído também aumenta com a frequência, pelo que a atenuação do ruído em frequência e dos harmónicos de ordem inferior é um grande desafio de conceção.
Geralmente, os grandes filtros passivos atenuam as emissões de baixa frequência; no entanto, as emissões de alta frequência podem exigir considerações de conceção adicionais devido à sua natureza parasita, como por exemplo, a resistência e indutância em série equivalentes (ESR/ESL) de um condensador e a capacitância paralela de um indutor.
Outras técnicas de filtragem de EMI envolvem, muitas vezes, componentes ativos: utilização de espetro espalhado, ou dithering, para modular a frequência de comutação da fonte de alimentação para reduzir os picos encontrados no domínio da frequência e os harmónicos de ordem inferior. Em última análise, a técnica utilizada depende da assinatura de ruído única do SMPS, bem como do custo, tamanho e restrições regulamentares do projeto.
Além de cumprir as normas EMC, os filtros EMI podem também ter a capacidade de atenuar os transientes de corrente elevada que são refletidos do carregamento para a potência de entrada do SMPS. As caraterísticas transitórias esperadas de cada SMPS variam e, por conseguinte, é frequentemente necessário um projeto personalizado para suprimir os picos. Esta é certamente uma consideração de design adicional para a eletrónica de potência MIL-SPEC. O equipamento militar tem de cumprir uma série de requisitos de conceção elétrica, mecânica e ambiental que obrigam os fabricantes a conceber cuidadosamente a eletrónica de potência desde o início: os materiais têm de ser testados e os requisitos de desempenho elétrico, mecânico e ambiental têm de ser cumpridos.
Visão geral das normas militares comuns para fontes de alimentação
A norma MIL-STD-461 estabelece limites para emissões conduzidas e irradiadas do equipamento elétrico, com diretrizes para medir corretamente a EMI. Se o SMPS exceder estes limites, o que acontece frequentemente, necessitará de um filtro EMI para “voltar às especificações”. Mas a escolha de qualquer filtro EMI comercial não fará necessariamente com que a fonte de alimentação fique subitamente em conformidade com os requisitos da norma; o equipamento pode ser tão ruidoso que adicionar qualquer filtro EMI à entrada faz com que a peça continue a falhar.
Os vários requisitos MIL-STD-461 e as suas descrições podem ser encontrados na Tabela 1. O equipamento eletrónico em conformidade com a norma MIL-STD-461 indica, normalmente, os requisitos específicos CE, CS e RE que cumpre.
| Requisitos | Descrição |
|---|---|
| CE101 | Emissões Condutoras, Ligação por cabo, 30 Hz até 10 kHz |
| CE102 | Emissões Condutoras, Ligação por cabo, 10 Hz até 10 MHz |
| CE106 | Emissões Condutoras, Antena Terminal, 10 Hz até 40 GHz |
| CS101 | Suscetibilidade Condutora, Ligação por cabo, 30 Hz até 150 kHz |
| CS103 | Suscetibilidade Condutora, Porta da Antena, Intermodulação, 15 kHz até 10 GHz |
| CS104 | Suscetibilidade Condutora, Porta da Antena, Rejeição de Sinais Indesejados, 30 Hz até 20GHz |
| CS105 | Suscetibilidade condutora, Porta da Antena, Modulação Cruzada, 30 Hz até 20 GHz |
| CS109 | Suscetibilidade condutora, Corrente Estrutural, 60 Hz até 200 MHz |
| CS114 | Suscetibilidade condutora, Corrente Estrutural, 60 Hz até 200 MHz |
| RE101 | Emissões Radiadas, Campo Magnético, 30 Hz até 100 kHz |
| RE102 | Emissões Radiadas, Campo Elétrico, 10 kHz até 18 GHz |
| RE103 | Emissões Radiadas, Antena Sporious e Saída Harmónica, 10 kHz até 40 GHz |
| RS101 | Suscetibilidade Radiada, Campo Magnético, 30 Hz até 100 kHz |
| RS103 | Suscetibilidade Radiada, Campo Elétrico, 2 MHz até 40 GHz |
| RS105 | Suscetibilidade Radiada, Campo Eletromagnético Transitório, 10 kHz até 18 GHz |
O EMI não é a única consideração quando se trata do desempenho, fiabilidade e segurança dos componentes electrónicos. As fontes de alimentação também têm de ser capazes de funcionar sob várias condições de tensão, incluindo polaridade inversa, picos de tensão e sobretensões. A norma MIL-STD 1275E estabelece as condições de teste a aplicar à entrada de um sistema de alimentação de 28V, bem como os parâmetros de desempenho esperados desse equipamento.
Prevê-se que estes sistemas existam nos veículos militares terrestres, veículos civis todo-o-terreno, bem como no equipamento pesado militar e civil.
Outras normas militares, como a MIL-STD 704F para caraterísticas de potência de aeronaves e a DO-160G para equipamento de bordo, especificarão as condições ambientais e os procedimentos de ensaio para simular adequadamente as várias condições de stress. A MIL-STD-810 inclui condições de teste e requisitos para o equipamento que será sujeito a choques mecânicos, vibrações e elevadas altitudes. Isto também pode garantir a longevidade e a fiabilidade da fonte de alimentação em ambientes adversos. As fontes de alimentação que funcionam em veículos militares e sistemas aéreos terão, provavelmente, de cumprir com as normas MIL-STD-1275E/MIL-STD 704F, MIL-STD-461 e com a norma MIL-STD-810 para serem considerados adequados para utilização. A P-DUKE, distribuída em Espanha e Portugal pela OLFER Electronics, oferece uma linha de filtros front-end MCF MIL-SPEC que podem ser combinados com determinados conversores CC/CC, de forma a cumprir com todas estas especificações. SÉRIE P-DUKE MCF
A série MCF fornece filtragem EMI e proteção contra transientes para cumprir com os requisitos de emissões conduzidas, suscetibilidade conduzida e emissões irradiadas da norma MIL-STD-461G, os requisitos de picos/surtos de várias normas militares e os requisitos de altitude/choque/vibração da norma MIL-STD-810 (Tabela 2).
| Norma | Categoria de teste | Descrição | Elemento de medição |
|---|---|---|---|
| MILD-STD 810F | Fiabilidade | Considerações de engenharia ambiental e ensaios laboratoriais | 7000 pés, Choque térmico, Vibração |
| MILD-STD 461G | EMC | Requisitos para o controlo das caraterísticas de interferência eletromagnética dos subsistemas e equipamentos | CE101, CE102, CS101, CS114, CS115, CS116C RE101, RE102 |
| MILD-STD 1275E | Sobretensão/ Pico | Caraterísticas dos sistemas elétricos de 28 Vcc em veículos militares | 5.3.2.2. Picos de tensão 5.3.2.5. Ondulação |
| DEF-STAN 61-5 | Sobretensão/ Pico | Sistemas elétricos de 28 Vcc em veículos militares | Parte 6 Problema 5 |
| MILD-STD 704F | Sobretensão/ Pico | Caraterísticas elétricas dos aviões | |
| DO-160 G | Sobretensão/ Pico | Condições ambientais e procedimentos de ensaio para equipamentos de bordo | Secção 16, 17, 18 |
filtros de extremidade frontal MFC.
A série oferece proteção ativa contra sobretensões de entrada, ao bloquear as sobretensões até 100 V com uma duração máxima de 50 ms para um nível seguro de 40 V e absorve picos de +/- 25 V com circuitos de proteção internos (Figura 1).
Como se pode ver na Figura 2, a série inclui outras funções de proteção ativa como controlo remoto de ligar/desligar, proteção contra sobrecarga, proteção contra curto-circuito na saída, proteção contra polaridade inversa, limitação da corrente de irrupção, entre outros.
A Figura 3 mostra uma melhoria considerável na EMI porque o desempenho EMI do conversor CC/CC HAE200 de 200 W foi testado antes e depois da aplicação do filtro MCF. Isto reduz, significativamente, o custo e o esforço de conceção envolvidos na filtragem EMI personalizada e nos circuitos periféricos. Com uma potência nominal até 250 W, os filtros front-end MCF podem ser utilizados numa vasta gama de equipamento militar.
Filtros MCF permitem uma integração perfeita nos sistemas militares
Os filtros EMI não podem ser selecionados de forma arbitrária para tornar uma fonte de alimentação compatível e o processo de conceção destes filtros pode ser bastante complexo, com um elevado custo de engenharia não recorrente (NRE). Este é o caso do equipamento de nível militar, em que os subsistemas de bordo em veículos militares e aeronaves que são alimentados por baterias de 24 V ou geradores de 28 V têm requisitos rigorosos e em que o equipamento COTS e as soluções personalizadas podem não ser viáveis. A P-DUKE e a OLFER Electronics oferecem conversores DC-DC de 15 a 250 W que, com os filtros front-end MCF correspondentes, cumprem com os requisitos militares de compatibilidade eletromagnética e supressão de picos de tensão.
OLFER Electronics
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