Origen y control de emisiones conducidas en SMPS

Abstract

Una fuente conmutada (Switch Mode Power Supply, SMPS) es un dispositivo electrónico ampliamente utilizado para la transformación de energía eléctrica. Utiliza transistores en conmutación para lograr grandes niveles de eficiencia en la transmisión de potencia. Sin embargo, este sistema provoca corrientes pulsadas con cambios bruscos, lo que se traduce en un importante contenido espectral de alta frecuencia de las señales. Estos armónicos de frecuencias altas se transmiten habitualmente en forma de ruido conducido y/o radiado, lo que puede dar lugar a interferencias electromagnéticas con otros equipos en su entorno o conectados a la misma red. En este trabajo se analizará el funcionamiento y caracterización de estos circuitos, realizando un diseño funcional de un dispositivo concreto mediante simulación por ordenador. Sobre este circuito, se realizará un estudio de las principales causas que producen emisiones conducidas. Para ello se analizan y estudian los principales efectos parásitos de alta frecuencia que aparecen en los diferentes componentes, y se verifica en qué medida estos efectos parásitos alteran el funcionamiento del sistema, aumentando los niveles de emisiones o incluso poniendo en riesgo algunos componentes del circuito. Por último, se estudiarán las soluciones más utilizadas para mitigar estos problemas, como snubbers y filtros. Se ilustrará su principio de funcionamiento y se mostrará su utilidad para reducir las emisiones hasta niveles admitidos por normativas de EMC típicas.

A Switch Mode Power Supply is an electronic device widely used to transform electric energy. It makes use of transistors as high frequency switches to obtain high efficiency levels in power transmission. This system causes pulsed currents with abrupt changes. This causes voltage and current signals with high frequency content which can be transmitted as conducted or radiated electrical noise, thus generating electromagnetic interferences with other equipment in the environment or connected to the same power line. In this project, the principles of operation and characterisation of these kind of electronic circuits are analysed making use of a circuit simulation computer program. Departing from the design of a concrete device we study the main causes of conducted emissions, related to the high frequency parasitic effects in the components of the device. We show that these parasitic effects can disrupt the normal operation of the SMPS, increasing the emissions levels and even compromising the lifetime of some components of the device. Finally, methods of EMI suppression, like filters and snubbers, are studied and introduced in our model to show their suitability to reduce the emissions levels under the limits accepted by common EMC regulations.