Alimentatori a impulsi per eccimeri: progettazione del filtro EMI

Alimentatori a impulsi per eccimeri: progettazione del filtro EMI

Astratto

Un impulso di eccimero di nanosecondi trasporta armoniche da corrente continua a diversi gigahertz. Il filtro deve rimuovere queste armoniche e lasciare intatto il fronte di 10 ns, e questi due obiettivi sono in conflitto tra loro. Questo articolo illustra l'aritmetica dello spettro dell'impulso, la progettazione del filtro a due stadi, quattro modalità di guasto del campo e i parametri del condensatore che rendono possibile l'attenuazione alle frequenze dei gigahertz.

1. introduzione

Un alimentatore laser a eccimeri eroga un impulso con un tempo di salita da 10 ns a 50 ns e una durata da 25 ns a 200 ns. Tale forma d'onda non è sinusoidale e il suo spettro si estende dalla corrente continua a diversi gigahertz.

Queste armoniche si propagano dall'alimentatore attraverso i cavi e nell'aria. Raggiungono l'elettronica di controllo, corrompono i segnali dei sensori e spingono il prodotto oltre i limiti di emissione.

Un filtro che elimina le armoniche rallenta anche il fronte dell'impulso. Il problema di progettazione consiste nell'attenuare l'energia laddove è indesiderata e far passare l'impulso laddove trasporta la scarica.

Questo articolo tratta il calcolo dello spettro, le sorgenti di interferenze elettromagnetiche (EMI) all'interno dell'alimentatore, l'approccio del filtro a due stadi, quattro modalità di guasto e i parametri dei componenti che determinano se l'attenuazione persiste a 1 GHz.

2. Meccanismo fondamentale

2.1 Spettro dell'impulso e primo nullo

L'inviluppo dello spettro dell'impulso segue una funzione sinc determinata dal tempo di salita:

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

dove A(f) è l'ampiezza spettrale alla frequenza f, A_peak l'ampiezza spettrale di picco e t_rise il tempo di salita dell'impulso.

Per t_rise = 10 ns il primo minimo si trova a f = 100 MHz e l'inviluppo si attenua a circa -20 dB/decade al di sopra di esso. L'energia a 1 GHz si trova ancora circa 40 dB al di sotto della fondamentale, il che è sufficiente per non superare un test di emissioni condotte.

2.2 Spettro completo degli impulsi

Un impulso reale ha un'altezza, una discesa e una larghezza finite, quindi l'inviluppo contiene due termini sinc:

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

dove F(f) è l'ampiezza spettrale, A l'ampiezza dell'impulso, t_pulse la larghezza dell'impulso e t_rise il tempo di salita.

Per t_rise = 10 ns e t_pulse = 50 ns, la frequenza fondamentale si trova a 1/t_pulse, ovvero 20 MHz. Il primo minimo si trova a 1/t_rise, ovvero 100 MHz. Entrambi i picchi derivano direttamente dalla forma d'onda ed entrambi si spostano al variare del circuito di scarica.

2.3 Fonti di interferenze elettromagnetiche all'interno dell'alimentatore

Quattro sorgenti dominano l'emissione. Le transizioni degli IGBT raggiungono valori di dV/dt superiori a 1 kV/ns e di/dt superiori a 1 kA/ns. Il banco di condensatori oscilla tra 5 MHz e 50 MHz. I diodi di snubber si ripristinano con un trr compreso tra 25 ns e 100 ns. Le barre collettrici agiscono come antenne al di sopra dei 100 MHz.

Ciascuna sorgente si accoppia per conduzione attraverso i cavi o per irraggiamento attraverso l'aria. Il filtro rileva il percorso condotto, mentre la configurazione determina il percorso irradiato.

2.4 Frequenza di taglio e valori dei componenti

Uno stadio LC passa-basso determina il suo angolo dall'induttanza e dalla capacità:

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

dove f_cutoff è la frequenza di taglio, L_filter l'induttanza del filtro e C_filter la capacità del filtro.

Per f_cutoff = 50 MHz e C_filter = 1 nF, L_filter risulta essere di circa 100 nH. Uno stadio del secondo ordine poi attenua a -40 dB/decade al di sopra di tale valore.

2.5 Tempo di salita dell'impulso e perdita per smorzamento

Il filtro aggiunge un proprio tempo di salita all'impulso:

t_rise_filter ≈ 0.35 / f_cutoff

dove t_rise_filter è il tempo di salita introdotto dal filtro e f_cutoff la frequenza di taglio. A 50 MHz il filtro aggiunge 7 ns, quindi un impulso di 10 ns diventa di 17 ns.

L'impedenza del condensatore ad alta frequenza deriva dalla sua ESL:

Z_C = 2π × f × ESL

dove Z_C è l'impedenza del condensatore, f la frequenza ed ESL l'induttanza equivalente in serie. A 1 GHz, un'ESL di 50 nH corrisponde a 314 Ω.

Un resistore di smorzamento brucia l'energia immagazzinata nell'induttanza del filtro ad ogni impulso:

P_damp = 0.5 × L_filter × I_peak² × PRF

dove P_damp è la dissipazione media, L_filter l'induttanza del filtro, I_peak la corrente impulsiva e PRF la frequenza di ripetizione degli impulsi. A 6 kHz tale carico raggiunge i 50-100 W e la resistenza deve sopportarlo continuamente.

Figura 1 — Un tempo di salita di 10 ns porta il primo nullo spettrale a 100 MHz; una coppia di frequenze a 50 MHz e 500 MHz abbassa l'inviluppo di circa 100 dB a 1 GHz.

3. Punti critici di ingegneria

Punto critico 1: Un valore limite impostato troppo alto per rispettare il limite di emissioni

Un singolo stadio impostato a 100 MHz ha lasciato solo circa -20 dB a 1 GHz. L'alimentatore non ha superato il test delle emissioni condotte e la soluzione è arrivata sotto forma di un filtro esterno, con costi e ingombro propri.

Il calcolo dello spettro era disponibile fin dall'inizio. La frequenza di taglio è stata scelta prima ancora che qualcuno analizzasse la distribuzione dell'energia.

Punto critico 2: un induttore sovradimensionato che rallenta il bordo

Un induttore da 600 nH ha fatto sì che il tempo di salita del filtro superasse i 20 ns. L'impulso si è allungato, la corrente di scarica è diminuita e l'energia di uscita del laser è uscita dalle specifiche.

Il servizio di assistenza ha inizialmente attribuito la colpa alla miscela di gas e poi al sistema ottico. L'impulso misurato su un prototipo a piena tensione ha dimostrato che il filtro era la causa del problema.

Punto dolente 3: condensatore ESL che rimuove l'attenuazione

Un condensatore di filtro con ESL di 50 nH presenta una resistenza di 314 Ω a 1 GHz. Il percorso di shunt verso massa è aperto a tale frequenza, quindi le armoniche lo attraversano e l'attenuazione si arresta alla risonanza propria del componente.

Il filtro ha funzionato correttamente da 1 MHz a 30 MHz. Tutti i risultati di laboratorio al di sotto dei 100 MHz sono risultati conformi e il problema di emissione si è manifestato solo nella parte alta della banda.

Punto critico 4: una resistenza di smorzamento che si surriscalda

Una resistenza di smorzamento dimensionata in base a dati di banco a bassa frequenza dissipava 80 W a 6 kHz PRF. In assenza di un percorso termico, raggiungeva il suo limite entro un turno e il suo valore variava.

La risposta del filtro si è quindi modificata in funzione della resistenza, e l'attenuazione è diminuita contemporaneamente all'aumento delle perdite. Entrambi gli effetti indicavano che il componente non era stato dimensionato per un funzionamento continuo.

Punto critico 5: Filtro montato lontano dalla sorgente

Un filtro posizionato a 150 mm dallo stadio di commutazione lasciava il circuito di collegamento come un radiatore. L'emissione misurata era di 12 dB superiore rispetto allo stesso filtro montato sui terminali della sorgente.

Lo schema mostrava una rete identica. Solo la disposizione differiva, ed era proprio la disposizione a determinare il risultato al di sopra dei 100 MHz.

4. Fasi di progettazione

Strategia 1: Calcola lo spettro e identifica le frequenze problematiche

Calcola A(f) dal tempo di salita misurato e annota la fondamentale a 20 MHz e il primo zero a 100 MHz per un impulso di 50 ns. Elenca le frequenze in cui l'inviluppo si trova al di sopra della linea limite.

Attribuisci quindi quelle frequenze a una sorgente. Il fronte dell'IGBT, le oscillazioni del banco, il recupero del diodo e la radiazione del bus coprono ciascuno una banda diversa e ognuno ha una soluzione diversa.

Strategia 2: Utilizzare due stadi per l'attenuazione a banda larga

Posizionare lo stadio 1 a 50 MHz con C = 1 nF e L = 100 nH, che copre la gamma da 50 MHz a 500 MHz. Posizionare lo stadio 2 a 500 MHz con una capacità inferiore, che copre la gamma da 500 MHz a 5 GHz.

La coppia di frequenze si attenua di circa -80 dB/decade al di sopra dei 500 MHz, quindi il contenuto a 1 GHz di un fronte di 10 ns si colloca sufficientemente al di sotto del limite da mantenere un margine adeguato in fase di produzione.

Strategia 3: Scegliere i condensatori per l'ESL, non solo la capacità

Seleziona N4700 componenti con ESL inferiore a 10 nH. A 1 GHz ciò corrisponde a 63 Ω invece dei 314 Ω di un componente da 50 nH, il che mantiene il percorso di shunt funzionante su tutta la banda.

Usa il HVCT8G Connettori coassiali nei nodi ad alta corrente. La geometria degli elettrodi mantiene l'induttanza di anello al di sotto di 8 nH con una spaziatura tra i terminali di 40 mm, e la curva di filtro corrisponde quindi al valore calcolato.

Strategia 4: Smorzare il filtro con una resistenza a bassa induttanza

Usa il HVRGHP Componenti a film spesso con ESL inferiore a 10 nH, con una potenza nominale superiore del 50% rispetto alla perdita di smorzamento calcolata. A 6 kHz, ciò significa un componente che trasporta da 100 W a 150 W in modo continuo.

Monta la resistenza sui terminali del condensatore e assicurati che abbia un percorso termico adeguato. Una resistenza il cui valore varia modifica la risposta del filtro e, di conseguenza, l'attenuazione diminuisce.

Strategia 5: Mantenere il fronte dell'impulso e montare alla sorgente

Imposta la frequenza di taglio al valore massimo consentito dal limite di emissione, quindi conferma il bordo su un prototipo a piena tensione. Una frequenza di taglio di 50 MHz aggiunge 7 ns, mentre una di 100 MHz ne aggiunge 3.5 ns, quindi la scelta implica un compromesso tra attenuazione e larghezza dell'impulso.

Montare il primo stadio sui terminali di commutazione. Il collegamento tra sorgente e filtro fa parte del radiatore e 150 mm di esso hanno comportato una perdita di 12 dB in un caso misurato.

Parametro del componente	Valore tipico	Condizione di test
Tensione nominale (serie HVCT8G)	10 kV DC	Hi-pot 1.5× per 60 s
Capacità	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V rms
ESR a 1 MHz	inferiore a 50 mΩ	-
Induttanza di anello (accordo E40)	inferiore a 8 nH	Distanza tra i terminali: 40 mm
resistenza di isolamento	superiore a 10 GΩ a 500 V CC	25 °C, 60% UR
Range di temperatura	da -40 °C a +125 °C	Serie IEC 60068-2
Capacità di misurazione di impulsi dv/dt	oltre 50 kV/µs	a tensione nominale

5. Condensatori di filtro HVC per reti EMI a eccimeri

Tre requisiti guidano la scelta a questo nodo: ESL sufficientemente basso da consentire lo shunt a 1 GHz, perdite sufficientemente basse da mantenere il filtro fuori dal percorso termico e un dielettrico che mantenga il suo valore su tutta la banda. HVC produce componenti N4700 per questa serie, in uno stabilimento di proprietà di 6,000 m² a Dongguan, per una gamma da 1 kV a 150 kV.

Sei parametri importanti in questo caso

• Un valore di ESL inferiore a 10 nH fornisce 63 Ω a 1 GHz invece di 314 Ω, quindi il percorso di shunt funziona ancora dove si trovano le armoniche.
• Un valore di ESR inferiore a 10 mΩ a 1 MHz mantiene la perdita I²R del condensatore a una piccola percentuale della perdita totale del filtro, lasciando la resistenza di smorzamento come unico elemento da considerare nella progettazione termica.
• Un valore di tanδ inferiore allo 0.1% mantiene l'autoriscaldamento a un livello trascurabile, in modo che la risposta del filtro non subisca variazioni al riscaldarsi dell'involucro.
• PD inferiore a 5 pC alla tensione nominale. La schermatura delle scariche parziali elimina i micro-archi interni che inietterebbero il proprio rumore a banda larga nella banda che il filtro è destinato a pulire.
• Copertura da 1 kV a 150 kV in formati con terminali radiali e a vite, in modo che un unico sistema dielettrico serva lo stadio a 50 MHz, lo stadio a 500 MHz e la rete di smorzamento.
• Qualificato come ricambio diretto per marchi di primo livello nel servizio sul campo delle sorgenti luminose DUV e specificato dagli OEM laser nelle nuove piattaforme. I componenti HVC corrispondono ai parametri elettrici e alle dimensioni del package di Murata Condensatori ad alta tensione a vite.

Dove una fase necessita di un elemento di serie, accoppiare condensatore a film con una diodo a recupero rapido a trr 25–35 ns, quindi il percorso di smorzamento non aggiunge alcuna carica di recupero all'impulso successivo.

Consegna e supporto

I componenti standard vengono spediti in 4-8 settimane, mentre i set di filtri abbinati in 6-10 settimane. Il team di ingegneria applicativa di HVC offre supporto per il calcolo dello spettro, la revisione della topologia dei filtri, l'analisi delle perdite di smorzamento e la verifica della forma dell'impulso per le reti EMI.

Inviare il tempo di salita dell'impulso, la larghezza dell'impulso, la PRF e la banda di frequenza difettosa. HVC restituisce un foglio illustrativo dei componenti del filtro con i codici dei pezzi, la distribuzione di ESL e ESR e un kit di valutazione con due campioni entro cinque giorni lavorativi.

6. Domande frequenti

D1: Come si calcola lo spettro degli impulsi?

Si utilizzi l'inviluppo sinc A(f) ≈ A_peak × sin(π f t_rise) / (π f t_rise). Per t_rise = 10 ns il primo nullo cade a 100 MHz. Un impulso reale con larghezza finita aggiunge un secondo termine sinc a 1/t_pulse, che per un impulso di 50 ns porta la fondamentale a 20 MHz.

D2: Quale frequenza di taglio dovrebbe utilizzare il filtro?

Il valore massimo consentito dal limite di emissione, poiché la frequenza di taglio determina il tempo di salita aggiuntivo. Una frequenza di taglio di 50 MHz aggiunge 7 ns e trasforma un impulso di 10 ns in uno di 17 ns. Una frequenza di taglio di 100 MHz aggiunge 3.5 ns e offre un'attenuazione minore, quindi la scelta dipende dal margine richiesto dalla forma dell'impulso.

D3: Perché un condensatore di filtro non riesce ad attenuare il segnale alle frequenze dei gigahertz?

Perché la sua ESL imposta l'impedenza al di sopra dell'auto-risonanza. A 1 GHz un componente da 50 nH presenta 314 Ω e il percorso di shunt smette di condurre. Un componente con ESL da 10 nH presenta invece 63 Ω, il che mantiene le armoniche in movimento verso massa.

D4: Quanta potenza dissipa la resistenza di smorzamento del filtro?

Da P_damp = 0.5 × L_filter × I_peak² × PRF. A 6 kHz PRF il carico medio raggiunge i 50-100 W, quindi la resistenza necessita di un margine del 50% e di un percorso termico effettivo. Un componente senza un percorso termico varia di valore e la risposta del filtro si sposta di conseguenza.

D5: Il filtro deve essere posizionato nello stadio di commutazione?

Sì, per il primo stadio. Un filtro montato a 150 mm dalla sorgente ha mostrato prestazioni peggiori di 12 dB rispetto agli stessi componenti montati ai terminali della sorgente, perché la spira di connessione irradia al di sopra dei 100 MHz. Lo schema elettrico rimane identico in entrambi i casi.

D6: Perché utilizzare due fasi invece di una?

Poiché un singolo stadio non può coprire tre decadi. Uno stadio da 50 MHz copre la gamma da 50 MHz a 500 MHz, e uno stadio da 500 MHz copre la gamma da 500 MHz a 5 GHz. Insieme, presentano un'attenuazione di circa -80 dB/decade al di sopra dei 500 MHz, che è la frequenza necessaria per un fronte di 10 ns a 1 GHz.

7. Riferimenti

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