In questo articolo vi presentiamo una tecnica che può aiutarvi a soddisfare i requisiti EMI e, forse, a semplificare il design del filtro. Con questa tecnica viene modulata la frequenza di commutazione dell’alimentatore per distribuire l’energia del rumore sulle bande laterali e modificare lo spettro dei disturbi dalla banda stretta alla banda larga (firma spettrale), attenuando in modo efficace i picchi armonici. È da notare che le interferenze elettromagnetiche non vengono ridotte, ma solo ridistribuite.
Con una modulazione sinusoidale, due delle variabili che è possibile controllare sono la frequenza di modulazione (fm) e la deviazione di frequenza dell’alimentatore (Δf). L’indice di modulazione (β) è il rapporto tra queste due grandezze, ovvero:
β =Δf/fm
Fig. 1 – La modulazione della frequenza dell’alimentatore espande la firma spettrale delle interferenze EMI
La figura 1a mostra in quale misura varia l’indice di modulazione in caso di forme d’onda sinusoidali. Con β=0 non c’è spostamento di frequenza ed è presente una sola riga spettrale. Con β=1, lo spettro di frequenza inizia ad ampliarsi e la componente centrale scende del 20%. Con β=2, lo spettro di frequenza si amplia ulteriormente e la componente più grande della frequenza rappresenta il 60% rispetto al caso originale. Per quantificare l’energia presente in questo spettro è possibile utilizzare la teoria della modulazione di frequenza. Secondo la regola di Carson, la maggior parte dell’energia sarà contenuta in una larghezza di banda pari a 2 * (Δf + fm). La figura 1b mostra indici di modulazione ancora più elevati, dimostrando che è possibile ridurre i valori di punta dei disturbi EMI di oltre 12 dB.
Fig. 2 – Variando la frequenza dell’alimentatore si attenua la componente fondamentale, ma si aumenta il rumore di fondo
Per questi motivi, la scelta ricade in genere su una frequenza di modulazione non troppo superiore alla larghezza di banda del ricevitore, ma fuori dal range udibile. Come risulta ovvio dalla figura 1b, è preferibile una modifica elevata della frequenza operativa. È tuttavia importante sapere che questo avrà degli effetti sul design dell’alimentatore. Quindi è consigliabile scegliere i componenti magnetici in riferimento alla frequenza operativa più bassa. Il condensatore di uscita deve inoltre gestire correnti di ripple più elevate, a causa del funzionamento a frequenza più bassa.
La figura 2 mostra un confronto delle prestazioni EMI misurate con e senza modulazione della frequenza. L’indice di modulazione è pari a quattro e, come previsto, la riduzione delle interferenze elettromagnetiche è nell’ordine degli 8 dB con la componente fondamentale. Sono però da notare anche altri aspetti. Le armoniche sono distribuite sulle bande di frequenza in base al relativo numero, vale a dire che la terza armonica viene espansa tre volte in più rispetto alla componente fondamentale. Lo stesso si ripete alle frequenze più alte, elevando notevolmente il rumore di fondo rispetto al caso a frequenza fissa. Di conseguenza questa tecnica potrebbe essere inutilizzabile nei sistemi a basso rumore, ma risulta vantaggiosa per molti sistemi, per via della maggiore flessibilità di progettazione e della riduzione dei costi del filtro EMI.
Un ringraziamento a John Rice e Mike Segal di Texas Instruments per il loro lavoro in questo settore. Il prossimo argomento della rubrica sarà la valutazione dell’aumento di temperatura dei componenti.
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Fonti di riferimento
1 – “Reduction of Power Supply EMI Emissions by Switching Frequency Modulation,” Feng and Chen, IEEE Transactions on Power Electronics, 1994.
2 – “EMI Filter Design, SEM1500, Topic 1”: http://focus.ti.com/docs/training/catalog/events/event.jhtml?sku=SEM403002