Fontes de alimentação de pulsos de excímero: projeto de filtro EMI

Fontes de alimentação de pulsos de excímero: projeto de filtro EMI

Sumário

Um pulso de excímero de nanossegundos carrega harmônicos desde a corrente contínua até vários gigahertz. O filtro deve remover esses harmônicos e deixar intacta a borda de 10 ns, e esses dois objetivos são conflitantes. Este artigo apresenta a aritmética do espectro de pulsos, o projeto do filtro de dois estágios, quatro modos de falha em campo e os parâmetros do capacitor que tornam a atenuação real em frequências de gigahertz.

1. Introdução

Um laser de excímero emite um pulso com um tempo de subida de 10 ns a 50 ns e uma largura de 25 ns a 200 ns. Essa forma de onda não é uma senoide e seu espectro varia de corrente contínua a vários gigahertz.

Esses harmônicos saem da fonte de alimentação pelos cabos e pelo ar. Eles chegam aos componentes eletrônicos de controle, corrompem os sinais dos sensores e fazem com que o produto ultrapasse seus limites de emissão.

Um filtro que remove os harmônicos também retarda a borda do pulso. O desafio do projeto é atenuar onde a energia é indesejada e deixar o pulso passar onde ele carrega a descarga.

Este artigo aborda o cálculo do espectro, as fontes de EMI dentro da fonte de alimentação, a abordagem de filtro de dois estágios, quatro modos de falha e os parâmetros dos componentes que determinam se a atenuação persiste em 1 GHz.

2. Mecanismo Central

2.1 Espectro de pulso e o primeiro nulo

O envelope do espectro do pulso segue uma função sinc definida pelo tempo de subida:

A(f) ≈ A_peak × sin(π × f × t_rise) / (π × f × t_rise)

onde A(f) é a amplitude espectral na frequência f, A_pico a amplitude espectral de pico e t_subida o tempo de subida do pulso.

Para t_rise = 10 ns, o primeiro nulo ocorre em f = 100 MHz, e o envelope atenua em cerca de -20 dB/década acima dele. A energia em 1 GHz ainda está aproximadamente 40 dB abaixo da fundamental, o que é suficiente para reprovar em um teste de emissão conduzida.

2.2 Espectro de pulso completo

Um pulso real tem subida, descida e largura finitas, portanto o envelope contém dois termos sinc:

F(f) = A × t_pulse × sinc(π f t_pulse) × sinc(π f t_rise)

onde F(f) é a amplitude espectral, A a amplitude do pulso, t_pulse a largura do pulso e t_rise o tempo de subida.

Para t_rise = 10 ns e t_pulse = 50 ns, a frequência fundamental situa-se em 1/t_pulse, que é 20 MHz. O primeiro nulo situa-se em 1/t_rise, que é 100 MHz. Ambos os extremos provêm diretamente da forma de onda e ambos se deslocam quando o circuito de descarga é alterado.

2.3 Fontes de EMI dentro da fonte de alimentação

Quatro fontes dominam a emissão. As transições do IGBT atingem dV/dt acima de 1 kV/ns e di/dt acima de 1 kA/ns. O banco de capacitores oscila entre 5 MHz e 50 MHz. Os diodos de amortecimento recuperam com trr entre 25 ns e 100 ns. As barras de distribuição atuam como antenas acima de 100 MHz.

Cada fonte se acopla por condução através dos cabos ou por radiação através do ar. O filtro detecta o caminho conduzido, e o layout determina o caminho irradiado.

2.4 Frequência de corte e valores dos componentes

Um estágio LC passa-baixa define seu ponto de inflexão a partir da indutância e da capacitância:

f_cutoff = 1 / (2π √(L_filter × C_filter))

onde f_cutoff é a frequência de corte, L_filter a indutância do filtro e C_filter a capacitância do filtro.

Para f_cutoff = 50 MHz e C_filter = 1 nF, L_filter fica em torno de 100 nH. Um estágio de segunda ordem então atenua em -40 dB/década acima desse ponto de corte.

2.5 Tempo de subida do pulso e perda de amortecimento

O filtro adiciona seu próprio tempo de subida ao pulso:

t_rise_filter ≈ 0.35 / f_cutoff

onde t_rise_filter é o tempo de subida contribuído pelo filtro e f_cutoff a frequência de corte. A 50 MHz, o filtro adiciona 7 ns, então um pulso de 10 ns torna-se 17 ns.

A impedância do capacitor em alta frequência provém de sua ESL (escala equivalente de latência):

Z_C = 2π × f × ESL

onde Z_C é a impedância do capacitor, f a frequência e ESL a indutância série equivalente. A 1 GHz, uma ESL de 50 nH resulta em 314 Ω.

Um resistor de amortecimento dissipa a energia armazenada na indutância do filtro a cada pulso:

P_damp = 0.5 × L_filter × I_peak² × PRF

onde P_damp é a dissipação média, L_filter a indutância do filtro, I_peak a corrente de pulso e PRF a frequência de repetição do pulso. A 6 kHz, essa carga atinge de 50 W a 100 W, e o resistor deve suportá-la continuamente.

Figura 1 — Uma subida de 10 ns coloca o primeiro nulo espectral em 100 MHz; um par de 50 MHz e 500 MHz puxa o envelope para baixo em cerca de 100 dB em 1 GHz.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: Um limite de corte definido muito alto para atender ao limite de emissão.

Um único estágio posicionado em 100 MHz apresentou uma atenuação de apenas cerca de -20 dB em 1 GHz. A fonte de alimentação falhou no teste de emissão conduzida, e a solução encontrada foi uma caixa de filtro externa, com seus próprios custos e volume.

O cálculo do espectro estava disponível desde o início. A frequência de corte foi escolhida antes que alguém analisasse a localização da energia.

Problema 2: Um indutor superdimensionado que retarda a borda

Um indutor de 600 nH fez com que o tempo de subida do filtro ultrapassasse 20 ns. O pulso se alongou, a corrente de descarga diminuiu e a energia de saída do laser ficou fora das especificações.

A assistência técnica atribuiu o problema primeiro à mistura de gases e depois à óptica. O pulso medido em um protótipo de tensão máxima mostrou que o filtro era a causa.

Problema 3: Filtro ESL capacitivo que elimina a atenuação

Um capacitor de filtro com ESL de 50 nH apresenta 314 Ω a 1 GHz. O caminho de derivação para o terra está aberto nessa frequência, portanto os harmônicos passam e a atenuação cessa na auto-ressonância do componente.

O filtro apresentou medições corretas de 1 MHz a 30 MHz. Todos os resultados dos testes abaixo de 100 MHz pareceram estar em conformidade, e a falha de emissão apareceu apenas na extremidade superior da banda.

Problema 4: Um resistor de amortecimento que superaquece.

Um resistor de amortecimento dimensionado a partir de dados de bancada de baixa taxa dissipou 80 W a uma PRF de 6 kHz. Sem um caminho de dissipação de calor, ele atingiu seu limite em um único ciclo de trabalho e apresentou deriva em seu valor.

A resposta do filtro então se deslocou com o resistor, e a atenuação diminuiu ao mesmo tempo que a perda aumentou. Ambos os efeitos apontavam para um componente que nunca foi dimensionado para operação contínua.

Problema 5: Filtro montado longe da fonte

Um filtro colocado a 150 mm do estágio de comutação deixou o circuito de conexão atuando como um radiador. A emissão medida foi 12 dB maior do que a do mesmo filtro montado nos terminais da fonte.

O esquema mostrava uma rede idêntica. Apenas o layout era diferente, e o layout determinava o resultado acima de 100 MHz.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Calcule o espectro e identifique as frequências problemáticas.

Calcule A(f) a partir do tempo de subida medido e observe a frequência fundamental em 20 MHz e o primeiro nulo em 100 MHz para um pulso de 50 ns. Liste as frequências onde o envelope se encontra acima da linha limite.

Em seguida, atribua essas frequências a uma fonte. A borda do IGBT, a oscilação do banco de diodos, a recuperação do diodo e a radiação do barramento cobrem cada uma uma banda diferente e cada uma tem uma correção diferente.

Estratégia 2: Utilizar dois estágios para atenuação de banda larga

Posicione o estágio 1 em 50 MHz com C = 1 nF e L = 100 nH, que cobre a faixa de 50 MHz a 500 MHz. Posicione o estágio 2 em 500 MHz com uma capacitância menor, que cobre a faixa de 500 MHz a 5 GHz.

O par de sinais apresenta uma atenuação de cerca de -80 dB/década acima de 500 MHz, portanto, o conteúdo de 1 GHz de uma borda de 10 ns fica suficientemente abaixo do limite para manter a margem de segurança na produção.

Estratégia 3: Escolha capacitores com base na ESL, e não apenas na capacitância.

Selecionar N4700 componentes com ESL abaixo de 10 nH. A 1 GHz, isso corresponde a 63 Ω em vez dos 314 Ω de um componente de 50 nH, o que mantém o caminho de derivação funcionando em toda a banda.

Uso HVCT8G encapsulamentos coaxiais nos nós de alta corrente. Sua geometria de eletrodo mantém a indutância do circuito abaixo de 8 nH com espaçamento de terminais de 40 mm, e o canto do filtro então corresponde ao valor calculado.

Estratégia 4: Amortecer o filtro com um resistor de baixa indutância

Uso HVRGHP Componentes de película espessa com ESL abaixo de 10 nH, classificados em 50% acima da perda de amortecimento calculada. A 6 kHz, isso significa um componente que suporta de 100 W a 150 W continuamente.

Monte o resistor nos terminais do capacitor e proporcione a ele um caminho adequado para dissipação de calor. Um resistor que varia em seu valor altera a resposta do filtro, e a atenuação diminui juntamente com ele.

Estratégia 5: Mantenha a borda do pulso e monte-o na fonte.

Defina a frequência de corte o mais alto possível dentro do limite de emissão permitido e, em seguida, confirme a borda em um protótipo de tensão total. Uma frequência de corte de 50 MHz adiciona 7 ns e uma frequência de corte de 100 MHz adiciona 3.5 ns; portanto, a escolha envolve um equilíbrio entre atenuação e largura de pulso.

Monte o primeiro estágio nos terminais de comutação. A conexão entre a fonte e o filtro faz parte do dissipador de calor, e 150 mm dele representam uma perda de 12 dB em um caso medido.

Parâmetro do componente	Valor típico	Condição de teste
Tensão nominal (série HVCT8G)	10 kV CC	alta potência 1.5× por 60 s
Capacidade	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	abaixo de 50 mΩ	-
Indutância do laço (corda E40)	abaixo de 8 nH	Espaçamento entre terminais de 40 mm
resistência de isolamento	acima de 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Faixa de temperatura	-40°C a +125°C	Série IEC 60068-2
Capacidade de dv/dt de pulso	acima de 50 kV/µs	na tensão nominal

5. Capacitores de filtro HVC para redes EMI de excímeros

Três requisitos norteiam a escolha neste nó: ESL suficientemente baixo para permitir shunt em 1 GHz, perda suficientemente baixa para manter o filtro fora do caminho térmico e um dielétrico que mantenha seu valor em toda a banda. A HVC fabrica componentes N4700 para esse conjunto, em uma fábrica própria de 6,000 m² em Dongguan, em uma faixa de 1 kV a 150 kV.

Seis parâmetros que importam aqui.

• Uma ESL abaixo de 10 nH resulta em 63 Ω a 1 GHz em vez de 314 Ω, portanto o caminho de derivação ainda funciona onde os harmônicos estão presentes.
• Uma ESR abaixo de 10 mΩ a 1 MHz mantém a perda I²R do capacitor em uma pequena parcela do total do filtro, o que deixa o resistor de amortecimento como a única tarefa de projeto térmico.
• Valores de tanδ abaixo de 0.1% mantêm o autoaquecimento em um nível insignificante, de modo que a resposta do filtro não sofre deriva à medida que o invólucro aquece.
• Descarga parcial inferior a 5 pC na tensão nominal. A blindagem contra descarga parcial remove os microarcos internos que injetariam seu próprio ruído de banda larga na banda que o filtro deve limpar.
• Cobertura de 1 kV a 150 kV em formatos de terminais radiais e de parafuso, de modo que um único sistema dielétrico atenda ao estágio de 50 MHz, ao estágio de 500 MHz e à rede de amortecimento.
• Qualificado como substituto direto para marcas de primeira linha em serviços de campo de fontes de luz DUV e especificado por fabricantes de equipamentos originais (OEMs) de laser em novas plataformas. As peças HVC correspondem aos parâmetros elétricos e dimensões de encapsulamento de Murata capacitores de alta tensão do tipo parafuso.

Onde um palco precisa de um elemento de série, emparelhe-o com capacitor de filme com uma diodo de recuperação rápida em trr 25–35 ns, portanto o caminho de amortecimento não adiciona carga de recuperação ao próximo pulso.

Entrega e suporte

As peças padrão são enviadas em 4 a 8 semanas e os conjuntos de filtros combinados em 6 a 10 semanas. A engenharia de aplicações da HVC oferece suporte para cálculo de espectro, revisão da topologia do filtro, análise de perda de amortecimento e verificação do formato do pulso para redes EMI.

Envie o tempo de subida do pulso, a largura do pulso, a PRF e a banda de frequência com falha. A HVC retorna uma folha de componentes do filtro com os números das peças, a distribuição de ESL e ESR e um kit de avaliação com duas amostras em até cinco dias úteis.

6. Perguntas frequentes

P1: Como calculo o espectro do pulso?

Use o envelope sinc A(f) ≈ A_pico × sin(π f t_subida) / (π f t_subida). Para t_subida = 10 ns, o primeiro nulo ocorre em 100 MHz. Um pulso real com largura finita adiciona um segundo termo sinc em 1/t_pulso, o que, para um pulso de 50 ns, coloca a frequência fundamental em 20 MHz.

Q2: Qual frequência de corte o filtro deve usar?

O valor deve ser tão alto quanto o limite de emissão permitir, pois o ponto de corte define o tempo de subida adicional. Um ponto de corte de 50 MHz adiciona 7 ns e transforma um pulso de 10 ns em um de 17 ns. Um ponto de corte de 100 MHz adiciona 3.5 ns e resulta em menor atenuação; portanto, a escolha depende da margem necessária para o formato do pulso.

Q3: Por que um capacitor de filtro não consegue atenuar em frequências de gigahertz?

Porque sua ESL (capacidade de indução equivalente) define a impedância acima da auto-ressonância. A 1 GHz, um componente com ESL de 50 nH apresenta 314 Ω, e o caminho de derivação para de conduzir. Um componente com ESL de 10 nH apresenta 63 Ω, o que mantém os harmônicos fluindo para o terra.

Q4: Quanta potência o resistor de amortecimento do filtro dissipa?

De acordo com P_damp = 0.5 × L_filter × I_peak² × PRF. Com uma PRF de 6 kHz, a carga média atinge de 50 W a 100 W, portanto, o resistor precisa de uma margem de 50% e um caminho de dissipação de calor adequado. Uma peça sem um caminho de dissipação de calor sofre deriva, e a resposta do filtro acompanha essa variação.

Q5: O filtro precisa estar localizado no estágio de comutação?

Sim, para o primeiro estágio. Um filtro montado a 150 mm da fonte apresentou um desempenho 12 dB pior do que os mesmos componentes montados nos terminais da fonte, porque o circuito de conexão irradia acima de 100 MHz. O esquema permanece idêntico em ambos os casos.

Q6: Por que usar dois estágios em vez de um?

Porque um único estágio não consegue cobrir três décadas. Um estágio de 50 MHz cobre de 50 MHz a 500 MHz, e um estágio de 500 MHz cobre de 500 MHz a 5 GHz. Juntos, eles apresentam uma atenuação de cerca de -80 dB/década acima de 500 MHz, que é o necessário para uma borda de 10 ns em 1 GHz.

7. Referências

1. E. Kuffel, WS Zaengl, J. Kuffel, Fundamentos de Engenharia de Alta Tensão, 2ª ed., Newnes, 2000.
2. N. Mohan, TM Undeland, WP Robbins, Eletrônica de Potência: Conversores, Aplicações e Projeto, 3ª ed., Wiley, 2003.
3. Aviso MIL-HDBK-217F 2, Previsão da confiabilidade de equipamentos eletrônicos 1995.
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6. H. Liu e outros, Efeitos do campo eletromagnético no comportamento de descarga parcial em capacitores de filme BOPP, IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation, vol. 30, no. 6, pp. 2617-2624, 2023. https://doi.org/10.1109/tdei.2023.3304600
7. Capacitores de filme do tipo MFP para aplicações exigentes, TDK Electronics (EPCOS), https://www.tdk-electronics.tdk.com/download/1211170/0a03733d8613c569c5a68ff1318e7c46/pdf-en.pdf .
8. Utilização de condensadores cerâmicos 3 kV (Discussão sobre a estabilidade de C0G/NP0 vs X7R/Y5S), Forum Retrotechnique, https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858 .
9. Selecionando um capacitor para potência pulsada, Electrical Engineering Stack Exchange, https://electronics.stackexchange.com/questions/486321/selecting-a-capacitor-for-pulsed-power .
10. Energizando o futuro: como os MLCCs de alta tensão impulsionam a eficiência na eletrônica moderna., Murata, https://www.murata.com/en-eu/s/blog/powering-the-future-how-high-voltage-mlccs-drive-efficiency-in-modern-electronics.html .
11. Equipe de Engenharia de Aplicações HVC, Capacitor Cerâmico De Alta Tensão Recursos técnicos, https://www.hv-caps.com