Caminhos de ruído de modo comum e projeto de filtro EMI para marcação a laser

Caminhos de ruído de modo comum e projeto de filtro EMI para marcação a laser

Sumário

Uma fonte de alimentação para marcação a laser é uma máquina de comutação de alta frequência com transições de quilovolts, de modo que cada transição injeta corrente de deslocamento através da capacitância parasita no chassi e a libera através da LISN (Rede de Interferência de Baixa Tensão). Este artigo deriva a corrente de injeção, o limite de fuga que restringe os capacitores Y e o valor do indutor que posiciona o ponto de corte do modo comum onde a supressão é necessária. Em seguida, apresenta quatro pontos críticos, seis etapas de projeto e os dados dos componentes que mantêm o ponto de corte estável em diferentes temperaturas.

1. Introdução

Cada fonte de alimentação para marcação a laser opera em frequências de dezenas a centenas de quilohertz, com transições de tensão de vários quilovolts por microssegundo. O estágio elevador do barramento CC, os drivers dos diodos de bombeamento e os drivers dos interruptores Q geram essas transições.

Cada evento de comutação injeta corrente de deslocamento na estrutura circundante através da capacitância parasita: do nó de comutação ao dissipador de calor, do enrolamento do transformador ao enrolamento, do cabo de alta tensão à carcaça da máquina. Essa corrente é uma corrente de modo comum. Ela flui por caminhos não planejados, retorna pela terra ou pela bancada de testes e se manifesta como emissão conduzida na rede elétrica.

Quando uma máquina de marcação falha em um teste de emissões, a causa raramente é a ausência de um componente no esquema elétrico. O problema geralmente reside em um caminho parasita não modelado e em um filtro dimensionado para ruído de modo diferencial.

Dois fatores agravam o problema. O chassi é compacto e suporta dezenas de quilovolts, o que maximiza a injeção por centímetro cúbico. Além disso, a máquina é repleta de cabos, cada um deles uma antena que converte a corrente de modo comum em emissão irradiada.

2. Mecanismo Central

2.1 Corrente de deslocamento de um nó de comutação

Um nó rápido injeta corrente em todos os objetos condutores que encontra:

I_CM = C_par × dv/dt

onde I_CM é a corrente de modo comum injetada, C_par a capacitância parasita entre o nó e o objeto, e dv/dt a taxa de variação da tensão do nó.

A capacitância parasita segue a relação de placas paralelas, portanto é uma grandeza de projeto:

C_par = ε₀ × εr × A / d

onde C_par é a capacitância parasita, ε₀ a permissividade do espaço livre, εr a permissividade relativa do espaço, A a área de contato e d a separação.

Uma placa de 50 mm por 50 mm, posicionada a 3 mm do chassi, apresenta uma capacitância de 8.854 pF/m × 1 × 0.0025 m² / 0.003 m = 7.4 pF. Um driver de chave Q que chaveia 20 kV em 100 ns tem dv/dt = 2×10⁹ V/s, portanto a injeção é de 7.4 pF × 2×10¹¹ V/s = 1.5 A. Mesmo um acoplamento de apenas 5 pF fornece 1 A.

2.2 O que a LISN lê

A corrente retorna através da ligação à terra e da rede de estabilização de impedância da linha da bancada de testes:

V_LISN = I_CM × Z_LISN

onde V_LISN é a tensão medida pelo receptor, I_CM a corrente de modo comum e Z_LISN a impedância da rede, que é de 50 Ω na faixa de medição.

Um ampere em uma resistência de 50 Ω corresponde a 50 V, o que equivale a 154 dBµV. Um limite de emissão conduzida abaixo de 80 dBµV seria excedido em mais de 70 dB. A leitura também depende da instalação, pois a impedância do caminho de retorno varia de acordo com a qualidade do aterramento e o layout dos cabos, razão pela qual o mesmo equipamento apresenta leituras diferentes em dois laboratórios distintos.

2.3 Limitação do capacitor Y devido à corrente de fuga

Um capacitor em Y fica entre a fase e o terra, portanto seu valor é limitado pela exigência de fuga de corrente de segurança:

I_leakage = 2π × f_line × C_Y × V_phase

onde I_leakage é a corrente de fuga para a terra, f_line a frequência da rede elétrica, C_Y a capacitância em Y e V_phase a tensão de fase.

Resolver para a capacitância fornece o limite máximo que o projetista precisa superar:

C_Y,max = I_leakage,max / (2π × f_line × V_phase)

A 230 V e 50 Hz com um limite de 0.5 mA, C_Y,máx é 6.9 nF. Um componente padrão de 4.7 nF consome 0.34 mA e deixa 32% de margem de segurança, portanto não há espaço para sacrificar a supressão em troca de capacitância.

2.4 O canto de modo comum e o estrangulamento

O ponto de corte do filtro é definido pelo indutor e pelos capacitores em Y atuando em conjunto:

f_CM = 1 / (2π × √(2 × L_CM × C_Y))

onde f_CM é a frequência de corte do modo comum, L_CM a indutância do indutor de modo comum e C_Y a capacitância de um dos dois capacitores em Y.

Com C_Y fixado em 4.7 nF por segurança, o indutor é o componente principal do circuito. Um indutor de 2 mH proporciona uma frequência de corte de 36.7 kHz, que está apenas 0.43 décadas abaixo da frequência fundamental de comutação de 100 kHz, resultando em uma atenuação de 17.4 dB nessa frequência. Um indutor de 27 mH posiciona a frequência de corte em 10 kHz e proporciona 40 dB, um ganho de 22.6 dB para um núcleo maior.

2.5 Por que o dielétrico do capacitor Y define a margem

A frequência de corte se desloca com a raiz quadrada da capacitância, portanto, a deriva dielétrica desloca a curva de supressão. Um capacitor Y de Classe II que perde 30% de sua capacitância à medida que o gabinete aquece eleva a frequência de corte de 36.7 kHz para 43.9 kHz e resulta em uma atenuação de 3.1 dB a 100 kHz. Em um projeto que atinge a aprovação com uma margem de 3 dB, essa é a margem total.

Uma peça de Classe I com um coeficiente de ±30 ppm/°C e tanδ igual ou inferior a 0.1% mantém o canto no lugar, não adiciona autoaquecimento e mantém a curva medida idêntica desde o início a frio até a estabilização térmica.

Figura 1 — O nó de 20 kV fornece 1.5 A através de um capacitor de 7.4 pF para o chassi, e o retorno passa pela LISN, um indutor de 27 mH e dois capacitores Y de 4.7 nF.

3. Pontos problemáticos de engenharia

Problema 1: Estágios de alta tensão acoplados ao chassi

Os drivers de chave Q e célula de Pockels, operando entre 15 kV e 40 kV, são acoplados ao chassi aterrado por meio de espaçadores de cerâmica, prensa-cabos e suportes de fixação. Cada quilovolt por microssegundo de borda injeta então miliamperes a amperes. As equipes que não modelam esses caminhos encontram falhas na certificação, onde a única solução restante é uma adaptação da blindagem.

Problema 2: Capacitores Y escolhidos sem análise de fuga ou deriva.

Um capacitor Y superdimensionado para supressão ultrapassa o limite de fuga de corrente para a terra de 0.5 mA e falha na aprovação de segurança. Um capacitor subdimensionado deixa o canto muito alto e falha no limite de emissão. Um componente de Classe II adiciona um terceiro modo de falha: sua capacitância varia com a temperatura, de modo que a margem medida a 25 °C desaparece a uma temperatura de gabinete de 60 °C.

Problema 3: Corrente de modo comum corrompendo o circuito do galvanômetro

A corrente de modo comum nos cabos do motor galvo e do encoder acopla-se aos fios de sensoriamento. O ruído aparece no feedback de posição como jitter, e o controlador lê o jitter como movimento do feixe. O sintoma é uma distorção de marcação que nenhum reajuste do servo elimina, porque a perturbação está fora da largura de banda do laço.

Problema 4: A blindagem do cabo atuando como parte do caminho

Uma blindagem terminada em uma extremidade, ou aterrada por meio de um cabo longo, conduz corrente de modo comum e a reirradia. Cada conector e cabo se torna uma pequena antena. É por isso que uma máquina funciona em um laboratório com cabos curtos e organizados, mas falha no local do cliente após a alteração do roteamento dos cabos.

4. Etapas de projeto

Estratégia 1: Modele a injeção antes de escolher o filtro.

Estime a capacitância parasita de cada nó de alta dv/dt a partir de C_par = ε₀εr A/d e, em seguida, corte o acoplamento com uma blindagem ou um anel de guarda. Onde a margem de velocidade permitir, reduza a taxa de variação da borda com um resistor de porta ou um circuito snubber RC construído a partir de um resistor de filme espessoReduzir dv/dt pela metade reduz a corrente injetada pela metade.

Estratégia 2: Dimensionar os capacitores Y de acordo com o limite de fuga.

Calcule primeiro o C_Y,max a partir do requisito de fuga. A 230 V e 50 Hz, o limite de 0.5 mA permite 6.9 ​​nF, portanto, um componente de 4.7 nF a 0.34 mA é a escolha prática, e a resistência de corte do filtro deve vir do indutor.

Estratégia 3: Configure o estrangulador a partir do alvo de supressão

Escolha a frequência de corte com base na atenuação necessária e na frequência fundamental de comutação disponível. Para 40 dB a 100 kHz, um filtro de modo comum de segunda ordem precisa de uma frequência de corte de 10 kHz, que, com 4.7 nF, requer L_CM = 1/(2 × 4.7 nF × (2π × 10 kHz)²) = 27 mH. Um indutor de 2 mH fornece uma frequência de corte de 36.7 kHz e 17.4 dB.

Estratégia 4: Utilize capacitores de Classe I através do filtro.

Especificar N4700 Componentes de Classe I com um coeficiente de ±30 ppm/°C para as posições Y e os estágios de modo comum de alta tensão. O comportamento se mantém estável desde a partida a frio até 105 °C, onde um componente de Classe II, com custo equivalente a 30% de sua capacitância, apresenta uma perda de 3.1 dB a 100 kHz.

Estratégia 5: Desative os escudos em ambas as extremidades e direcione o caminho de retorno.

Conecte as blindagens dos cabos em ambas as extremidades através de conexões de baixa impedância de 360°, mantenha o retorno da blindagem separado do retorno do sinal e direcione os cabos de alta dv/dt para longe da fiação do galvanômetro e do encoder. Mover uma terminação de blindagem em 5 cm pode deslocar um pico de 30 MHz em mais de 10 dB.

Estratégia 6: Atribua um plano próprio ao retorno de modo comum e meça-o.

Instale um plano de baixa indutância dedicado da seção de alta tensão até o terra do filtro de entrada e conecte cada subconjunto a ele em um aterramento em estrela, para que a corrente permaneça dentro da máquina. Verifique com uma sonda de corrente tipo alicate no cabo de alimentação e na ligação do chassi durante a inicialização e registre o espectro após cada alteração de layout.

Peças de referência para esta classe de aplicação

Os valores de referência para esta classe de componente estão listados abaixo. O número da peça é 472M, que corresponde a 4700 pF com tolerância de ±20%; o valor de corte do filtro é determinado pela blindagem da peça e pelo pareamento com outras peças, e não por uma letra de tolerância, pois uma peça 472M sem blindagem possui tolerância de ±20% e não pode manter o valor de corte do filtro.

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	< 50 mΩ	25 ° C
Indutância do laço (corda E40)	< 8nH	Espaçamento entre terminais de 40 mm
resistência de isolamento	> 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	> 50 kV/µs	na tensão nominal

5. Capacitores HVC para um filtro de modo comum

Um filtro de modo comum é tão estável quanto os capacitores que o compõem. A HVC fabrica esses componentes com o dielétrico N4700 (T3M) Classe I em uma fábrica própria de 6,000 m² em Dongguan, para uma faixa de tensão de 1 kV a 100 kV.

Seis parâmetros que importam aqui.

• Cantos que se mantêm estáveis. Um tanδ igual ou inferior a 0.1% com um coeficiente de ±30 ppm/°C mantém os cantos Y e de modo comum do lado de alta constantes em toda a faixa de temperatura de trabalho e preserva a margem de conformidade.
• Cobertura de alta tensão. A faixa de 1 kV a 100 kV abrange os estágios de modo comum do lado de alta tensão dos drivers de chave Q e célula de Pockels, onde o capacitor suporta tensão de quilovolts e ainda precisa realizar o bypass em dezenas de megahertz.
• Descarga abaixo de 5 pC. Um capacitor Y blindado filtra o ruído e não o adiciona, pois a descarga dentro do componente seria uma fonte de banda larga sob estresse pulsado.
• Construção com baixa ESL. A geometria coaxial dos eletrodos mantém a auto-ressonância elevada, de modo que capacitor de filme e as opções cerâmicas permanecem capacitivas na faixa em que a emissão irradiada é medida.
• Um único dielétrico em toda a rede. Um único sistema dielétrico qualificado em toda a linha de produtos permite que um filtro seja ajustado uma única vez e reutilizado em todos os estágios de tensão da fonte de alimentação.
• Histórico comprovado de substituição. A série 441/40 kV. capacitores maçaneta são uma substituição direta qualificada para Murata Capacitores do tipo parafuso são utilizados no programa de reparo em campo de fontes de luz para litografia, e desenvolvedores nacionais de DUV agora especificam capacitores HVC personalizados em novas fontes de luz.

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 equipe de engenharia de aplicações da HVC oferece suporte para análise de caminho de modo comum, dimensionamento de capacitores Y, simulação de cantos e revisão de roteamento de blindagem. Envie as tensões dos nós, as taxas de variação da corrente, a frequência de comutação, o limite de fuga, o layout do chassi e o desenho dos cabos. A HVC retorna uma planilha de seleção de filtros com curvas de capacitância versus temperatura, relatórios de descarga e dados de ESL em até cinco dias úteis.

6. Perguntas frequentes

Q1: Qual a quantidade de corrente de modo comum injetada por uma borda de alta tensão?

I_CM = C_par × dv/dt. Uma placa de 50 mm por 50 mm a 3 mm do chassi tem 7.4 pF, e uma borda de 20 kV em 100 ns é 2×10¹¹ V/s, o que resulta em 1.5 A. Mesmo 5 pF de acoplamento resultam em 1 A, o que corresponde a 154 dBµV em uma LISN de 50 Ω.

Q2: Qual o tamanho máximo que um capacitor Y pode ter?

O limite é determinado pela exigência de fuga à terra: C_Y,máx = I_fuga,máx / (2π f_linha V_fase). A 230 V e 50 Hz, o limite de 0.5 mA permite 6.9 ​​nF, e um componente de 4.7 nF consome 0.34 mA com 32% de margem de segurança.

P3: Como escolho o indutor de modo comum?

A partir da meta de atenuação, f_CM = 1/(2π√(2 L_CM C_Y)) define a frequência de corte, e um filtro de segunda ordem fornece 40 dB quando a frequência de corte está uma década abaixo da frequência fundamental de comutação. Para 40 dB a 100 kHz com 4.7 nF, o indutor é de 27 mH; um indutor de 2 mH fornece 17.4 dB.

Q4: Por que o dielétrico do capacitor Y altera o resultado?

Porque a frequência de corte se desloca com a raiz quadrada da capacitância. Um componente de Classe II que perde 30% do seu valor à medida que a caixa acústica aquece desloca a frequência de corte de 36.7 kHz para 43.9 kHz e perde 3.1 dB em 100 kHz, que é toda a margem de um projeto que passa com 3 dB de folga.

Q5: Por que a mesma máquina apresenta falhas no local do cliente?

Isso ocorre porque a impedância do caminho de retorno depende da instalação. Cabos mais longos ou com trajetos alterados modificam a geometria da blindagem e do retorno, e uma blindagem terminada em uma extremidade conduz a corrente e a irradia novamente. Mover uma terminação da blindagem em 5 cm pode deslocar um pico de 30 MHz em mais de 10 dB.

Q6: O que deve ser medido durante a fase de preparação para o parto?

A corrente de modo comum do chassi e da rede elétrica foi medida com uma sonda de contato, em toda a faixa de medição, antes e depois de cada alteração de layout, além da capacitância de cada componente do filtro em função da temperatura. Esses dois registros mostram se o canto foi movido e se o caminho de injeção foi alterado.

7. Referências

1. IEC 60384-14:2023, Capacitores fixos para uso em equipamentos eletrônicos - Parte 14: Especificação seccional - Capacitores fixos para supressão de interferência eletromagnética e conexão à rede elétrica., 5ª ed. Genebra: IEC, 2023.
2. IEC 60384-1:2021, Capacitores fixos para uso em equipamentos eletrônicos - Parte 1: Especificação genérica, 6ª ed. Genebra: IEC, 2021.
3. IEC 60664-1:2020, Coordenação de isolamento para equipamentos em sistemas de alimentação de baixa tensão - Parte 1: Princípios, requisitos e testes, 3ª ed. Genebra: IEC, 2020.
4. GB/T 6346.1-2024, 电子设备用固定电容器 第1部分：总规范 (Capacitores fixos para uso em equipamentos eletrônicos – Parte 1: Especificação genérica). Pequim: 国家市场监督管理总局, 2024.
5. Aviso MIL-HDBK-217F 2, Previsão da confiabilidade de equipamentos eletrônicos 1995.
6. E. Kuffel, WS Zaengl e J. Kuffel, Fundamentos de Engenharia de Alta Tensão, 2ª ed., Newnes, 2000.
7. Mohan, N., Undeland, TM, e Robbins, WP, Eletrônica de Potência: Conversores, Aplicações e Projeto, 3ª ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2003.
8. 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
9. L. Zheng, L. Zhu, J. Liu, Z. Di e S. Ji, Características de autorreparação de capacitores de filme metalizado sob tensão sobreposta CC e CA com harmônicos, em 2022 IEEE Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena (CEIDP), pp. 175-178, 2022. https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286.
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. EUA 6,937,027, Sensor híbrido para detecção de descargas parciais de alta frequência, Hanyang Hak Won Co., Ltd., concedido em 2005, https://www.freepatentsonline.com/6937027.html .
12. Equipe de Engenharia de Aplicações HVC, Capacitor Cerâmico De Alta Tensão Recursos técnicos, https://www.hv-caps.com