Método de cálculo de un circuito “snubber”

Si tomamos como ejemplo una fuente de alimentación conmutada, partiendo del escueto esquema funcional que típicamente propone el fabricante del circuito integrado de control, es evidente que nunca seria conforme con los límites de emisiones conducidas o radiadas porque le falta nivel de filtrado. Aparte de realizar un buen trazado de pistas en el circuito impreso para reducir los bucles radiantes, detalle en el que no vamos a entrar ahora, la primera mejora básica imprescindible es añadir un filtro de red, con suficiente atenuación para reducir el ruido (EMI) generado internamente para que quede a unos 6 dB por debajo del límite de emisiones conducidas. Podría ser un simple filtro de una etapa con un choque en modo común, dos condensadores X entre las dos líneas y dos condensadores Y desde las líneas a tierra.

En la salida de la fuente podríamos añadir un sencillo filtro si debemos alimentar un simple circuito como carga. Si el circuito que debemos alimentar es digital y puede generar excesivo EMI, será conveniente añadir un filtro LC como mínimo y tal vez, además, añadir una ferrita y un condensador en la salida. Este filtro de salida, además de no enviar ruido hacia la carga también ayuda al filtro de entrada de red y contribuye a reducir las emisiones conducidas.

Añadiendo los filtros de entrada y salida podría ser suficiente para ser conforme con las emisiones conducidas pero, dependiendo del diseño, podría no ser suficiente para ser conforme con las emisiones radiadas. En este caso podríamos poner la fuente dentro de una caja metálica bien diseñada para que se comportara como un buen blindaje. Pero si el equipo para el que se está diseñando la fuente de alimentación tiene prevista una simple caja de plástico, se deberá mejorar el diseño de la fuente de alimentación. Esta mejora podría consistir en una mejora del trazado de las pistas de circuito impreso para reducir los bucles radiantes formados por los circuitos de conmutación si el circuito impreso es de solo dos capas. Una solución mejor sería aumentar a cuatro capas el circuito impreso, para poder tener como mínimo un plano de masa por debajo de los bucles de conmutación.

Con todo, aun podría ser insuficiente. Un detalle en el que frecuentemente no se piensa es el uso de “snubbers”. Un circuito “snubber” puede consistir en un simple condensador o un circuito RC en paralelo con cada uno de los dispositivos de conmutación (diodos o transistores). Algunos diseñadores aplican RC con valores recomendados de algún artículo o calculados con una simple fórmula. Una vez aplicados provisionalmente soldando el circuito RC “encima” del diodo o del transistor, al volver a medir comprobamos que “aparentemente” no hace nada. Ello es debido a que las conexiones son demasiado largas o sus valores no son los más adecuados. Una vez aquí, podemos quedarnos sin saber bien que hacer o, siendo optimistas, podemos rediseñar el circuito impreso para disponer los circuitos “snubber” correctamente, muy cerca de cada elemento conmutador, con conexiones muy cortas.

Una vez rediseñado el circuito impreso, al volver a medir podemos esperar una mejora importante, pero descubrimos que la mejora no es tan buena como esperábamos. Ahora las conexiones son tan cortas como es posible y en cambio la mejora esperada gracias a los “snubbers” no es tan buena como esperábamos. ¿Qué ocurre? Falta optimizar los valores de la R y de la C de cada “snubber” para tener en cuenta exactamente su comportamiento en su lugar de trabajo.

El “snubber” RC tiene una resonancia a una frecuencia y amplitud que generalmente se desconoce hasta que se prueba el circuito. En muchos casos, la amplitud y la duración de la resonancia son significativas y deben reducirse. La solución es amortiguar o "rechazar" la oscilación o resonancia con un circuito de RC en serie, que generalmente se coloca en paralelo con el rectificador y en el MOSFET.

El procedimiento de siete pasos que continuación se presenta utiliza una metodología común que cambia la frecuencia de resonancia para calcular la inductancia parásita (L) y la capacidad parásita (C₀)  de las conexiones. Una vez que se conocen, se calculan el condensador de protección (C_snubber)  y la resistencia (R_snubber),  proporcionando un conjunto de valores razonables para el “snubber” RC. Las formas de onda de ejemplo en las imágenes adjuntas fueron tomadas con una RC colocada en paralelo con el rectificador. 

LOS SIETE PASOS

Los siguientes siete pasos se pueden utilizar para calcular un “snubber”.

Paso 1:     Medir la frecuencia (f₀)  de la oscilación. Figura 2.

Paso 2:     Añadir un condensador (C₁) en paralelo con el diodo o el MOSFET y medir la frecuencia de la oscilación desplazada. Figura 3. Seleccionar el valor C₁ varias veces mayor que la capacidad parásita mostrada en las especificaciones del diodo o MOSFET. En este ejemplo, la capacidad parásita es de 22 pF y por ello se ha seleccionado un condensador de 100 pF para C₁.  Es razonable tener un desplazamiento de frecuencia del 50%. 

La figura 4 muestra la reducción del pico y el efecto de la amortiguación de los valores calculados. Se puede ajustar la oscilación más alta o más baja variando el valor de C_snubber. Los valores más altos para C_snubber reducen aún más la amplitud del pico de tensión, pero aumentan las pérdidas de potencia en R_snubber.

Alternativamente, se puede disminuir la disipación de potencia en R_snubber bajando C_snubber, pero aumentará la oscilación. Se debe sopesar la compensación entre la amplitud de la tensión de oscilación aceptable y las pérdidas en R_snubber.

Si se desea reducir las pérdidas o ajustar la amplitud de la oscilación, lo mejor es cambiar el valor de C_snubber. Se puede usar un valor menor para tener menores pérdidas, pero se tendrá un valor mayor de oscilación. O se puede usar un valor mayor de C_snubber para obtener menor oscilación, pero con más pérdidas en R_snubber.  Usando un valor de R_snubber entre la mitad o el doble del valor calculado, en la mayoría de los casos se mantiene una excelente amortiguación.

El uso de “snubbers” puede ser fundamental para dominar estos problemas de resonancias y conseguir la conformidad con los límites de emisiones establecidos por las normas. Los “snubbers” aparentemente puede parecer que no hacen nada, pero si están bien optimizados contribuyen a la reducción de las EMI de conmutación en las fuentes de alimentación conmutadas o en los convertidores de potencia.

AUTOR

Francesc Daura, Ingeniero Industrial, experto en compatibilidad electromagnética. Director de LEEDEO / CEMDAL

Más información:  info@leedeo.es , contacto@cemdal.com

Volver al Blog