EMC diagnostic for a switch mode power supply. Introduction and components used

1. compatibili per natura
Relatori:
Andrea Volpini
Ing. Stefano Fabiani
Ing. Manuele Marconi
Roberto Volpini
Giovedì 18 giugno
Hotel Cristoforo Colombo
Ancona

2. Workshop su attenuazione dei disturbi condotti da alimentatori a
commutazione
• Le maschere della normativa sulle EMI condotte (CEI EN 55022)
• Un setup di misura “semplificato”
• Apparati di misura: LISN e analizzatore di spettro
• Introduzione alle prove pratiche: circuiti e componenti
• Figure di accompagnamento alle prove pratiche

3. Limiti della norma CEI EN 55022
Utilizzeremo la norma IEC-CEI EN 55022 Classe B (più restrittiva), che relativamente
alle emissioni condotte, definisce i limiti:

4. Le nostre misure sono dette di precompliance, in quanto indicative delle prestazioni di
massima relativamente alla compatibilità elettromagnetica e non valevoli ai fini della
certificazione di prodotto.
Useremo per risparmiare tempo un rivelatore di picco anziché di quasi-picco
La normativa richiede il rispetto dei limiti di quasi-picco e di valor medio, che devono
essere verificati con appositi rivelatori sul ricevitore EMI (analizzatore di spettro).
Inoltre, per ogni fluttuazione del valore misurato attorno alla maschera, la lettura va
ripetuta per almeno 15sec a ciascuna frequenza, prendendo infine la misurazione
peggiore.
Inoltre, si devono effettuare le misure su un campione statistico significativo e ai fini della
conformità alla norma vanno interpolati i risultati ottenuti su tutti i campioni, secondo una
formula esplicita contenuta nella norma
Alcuni dettagli relativi a misure per certificazione di prodotto

5. Setup di misura “semplificato”.

6. Setup di misura “semplificato” (2)
Altri accorgimenti da seguire (misure in camera schermata):
1. Il cavo di alimentazione dalla LISN all’EUT deve essere di massimo 1m e non
toccare sul piano di massa metallico orizzontale di riferimento. Se è più lungo, va
acciambellato in una matassa da 30 a 40cm massimi di lunghezza.
2. L’EUT prende il riferimento di terra dalla LISN e lo stesso per il piano di massa.
3. Eventuali apparecchi ausiliari vanno posti sul tavolo a non meno di 10cm dall’EUT.
4. La LISN deve stare a 80cm dall’EUT e quest’ultimo a 80cm dal piano di massa
orizzontale
5. I cavi che collegano l’EUT a un apparato ausiliario devono stare a non meno di
40cm da un piano di massa verticale

7. La LISN (Line Impedence Stabilization Network)
Richiesta dalla EN55022 e definita nella CISPR 16-1.
C1=1uF, L=50uH, C2=100nF, Rn=Rf=50Ω

8. La LISN (Line Impedence Stabilization Network) (2)
Funzioni della LISN:
1. Disaccoppia l’EUT dalla rete elettrica, bloccando il rumore proveniente da
quest’ultima e permette di veicolare solo il rumore proveniente dell’EUT verso il
ricevitore EMI
2. Fornisce al rumore proveniente dall’EUT una impedenza di carico determinata e
fissa, mentre l’impedenza delle rete elettrica è non predicibile e variabile sia nel
tempo che nello spazio
Data la presenza dei 2 condensatori C1 dentro la LISN, è necessario interporre tra la
LISN stessa e la rete elettrica un trasformatore di isolamento che eviti il trigger del
differenziale di protezione (attivato per correnti di dispersione verso terra molto piccole -
30mA circa)

9. Il ricevitore EMI: l’analizzatore di spettro
Permette lo studio della composizione spettrale del segnale al suo ingresso. Deve
essere impostato con opportuni valori dei parametri di scansione, secondo quanto
asserito dalla normativa che per la classe B stabilisce:
• Frequency Span: 150kHz
– 30MHz
• Resolution Bandwidth (a
6dB): 9kHz
• Tipo di rivelatore: Quasi-
peak e AVG
Provvisto di tracking
generator, può essere
usato per condurre misure
di attenuazione sui filtri

10. Scopo degli esperimenti pratici
1. Scelta del materiale con cui è fatto il choke (basse permeabilità iniziali sostengono il
valore induttivo per forze magnetizzanti più elevate, ma richiedono più spire a parità
di valore induttivo)
2. Costruzione meccanica del choke (ad esempio, realizzare un valore induttivo con
induttore ad alta μi in un solo strato è ben diverso dal realizzarlo con materiale a
bassa μi e due strati che modifica anche grandemente i parametri parassiti)
3. Numero e tipologia degli stadi di filtraggio (l’attenuazione di MC e MD è la risultante
della combinazione anche dei parassiti su ogni componente, e talvolta possono
aiutare il filtraggio di MD)
4. Posizione relativa degli induttori e condensatori di classe Y (si mettono
tendenzialmente per il filtraggio a frequenze medio alte del rumore di MC, ma
tendono a peggiorare il filtraggio di MD)
Più che il filtraggio in sé, scopo delle prove che eseguiremo è evidenziare il contributo
dato al filtraggio dalle seguenti scelte di progetto del filtro:

11. Svolgimento degli esperimenti pratici. Gli induttori delle prove
Choke A Choke B Choke C Choke D
Choke E Choke F MD tamburino MD toroide

12. Svolgimento degli esperimenti pratici. Gli induttori delle prove (2)
Choke A
μi4300, 50T
Lp 12mH
Rdc 476mΩ
Lleak 105uH
Choke B
μi7000, 50T
Lp 18mH
Rdc 480mΩ
Lleak 107uH
Choke C
μi10000, 50T
Lp 27mH
Rdc 477mΩ
Lleak 101uH
Choke D
μi7000, 40T
Lp 12mH
Rdc 228mΩ
Lleak 81uH
Choke E
μi10000, 33T
Lp 12mH
Rdc 116mΩ
Lleak 55uH
Choke F
μi4300, 74T
Doppio strato
Lp 27mH
Rdc 676mΩ
Lleak 315uH
MD tamburino
Lp 168uH
Rdc 191mΩ
Cp 14pF
MD toroide
Lp 162uH
Rdc 160mΩ
Cp 3pF
Gli induttori a permeabilità iniziale più alta permetteranno a parità di valore induttivo
realizzato su stessa meccanica di sostenere correnti massime più elevate, in virtù del
filo maggiorato.

13. Svolgimento degli esperimenti pratici. Il circuito che useremo per le
prove singolo stadio MC e singolo stadio MC + MD

14. Svolgimento degli esperimenti pratici. Il circuito che useremo per le
prove doppio stadio MC e doppio stadio MC + MD

15. Prova n.1. Influenza della capacità C9 (il primo fronte di difesa dall’SMPS
alla rete)
Attenuazione di MD
Curva Blu
Curva rossa

16. Prova n.2. Influenza delle coppie Y2
Curva Blu
Attenuazione di MD
Curva verde
Curva rossa

17. Prova n.3. Influenza dello stadio differenziale
Curva Blu
Attenuazione di MD
Curva rossa
Curva verde

18. Prova n.4. Influenza del valore induttivo, stessa costruzione, diverso
materiale
Curva Blu
Attenuazione di MD
Curva rossa
Curva verde

19. Prova n.5. Influenza della costruzione, stesso valore induttivo, diverso
materiale
Curva Blu
Curva rossa
Attenuazione di MD
Curva verde

20. Prova n.6. Costruzione monostrato VS doppio strato, stesso valore
induttivo, diverso materiale
Attenuazione di MD
Curva Blu
Curva rossa

21. Prova n.1B. Filtraggio differenziale VS comune con doppio stadio di choke
MC
Curva Blu
Curva rossa
Curva verde
Continua 

22. Prova n.1B. Filtraggio differenziale VS comune con doppio stadio di choke
MC (2)
Attenuazione di MD Attenuazione di MC
Attenzione!
Ciò che sembrava filtrare meglio il rumore di MD (verde, choke doppio-strato) sembra filtrare
peggio il rumore di modo comune. Infatti, l’alta induttanza dispersa del choke doppio strato
(315uH contro i circa 100uH degli altri) aiuta il filtraggio di MD, ma unito alla maggiore
capacità parassita, peggiora il filtraggio del MC

23. Prova n.2B. Influenza delle coppie Y nel filtraggio di MC
Curva Blu
Curva rossa
Attenuazione di MC
Curva verde

24. Prova n.3B. Influenza delle induttanze differenziali nel doppio stadio MC
Attenuazione di MD
Curva Blu
Curva rossa
Curva verde

25. Grazie dell’attenzione!