Um T polarizado para medição de banda larga de componentes eletrônicos de potência
Nota do Editor: O artigo no qual este artigo se baseia foi originalmente apresentado no Simpósio Internacional IEEE 2021 sobre Compatibilidade Eletromagnética e Integridade de Sinal/Energia (EMC, SI e PI), onde recebeu o reconhecimento como o Melhor Artigo do Simpósio. Ele foi reimpresso aqui com a gentil permissão do IEEE. Direitos autorais 2022 IEEE.
Em muitos aplicativos EMC, os componentes passivos precisam ser caracterizados para fornecer modelos de simulação e percepção física dos processos dominantes dentro desses componentes. Os filtros passivos consistem em indutores e capacitores, alguns dos quais são dispositivos de 3 ou 4 terminais, como bobinas de modo comum. Para sinais pequenos, esses componentes podem ser considerados lineares em relação à tensão e corrente. No entanto, em muitas aplicações, os efeitos não lineares devem ser considerados e caracterizados. Isso pode ser alcançado com uma abordagem de sinal grande no domínio do tempo ou por linearização em torno de certos pontos de viés. A caracterização linearizada de dispositivos potencialmente não lineares, como indutores de filtro ou capacitores, requer excitação simultânea do sinal de avaliação de pequenos sinais e da polarização de grandes sinais, que é a corrente para indutores e a tensão para capacitores. O método mais comumente usado depende de um analisador de rede vetorial (VNA) e uma rede de polarização para aplicar a polarização de sinal grande.
Para níveis mais altos de corrente ou tensão, devem ser usados tês de polarização externos para medições de VNA. Em particular, quando abrangem uma ampla faixa de frequência, aqui de 9 kHz a 500 mHz, apresentam os seguintes desafios:
Este artigo mostra detalhes do projeto de um tê de polarização linear para uma faixa de frequência de 9 kHz a 500 mHz que pode lidar com 10 A continuamente ou 30 A por 10 minutos e pode ser polarizado até 500 V. Embora existam inúmeras publicações sobre tês de polarização para aplicações de alta frequência, há relativamente poucos na faixa de baixa frequência e ainda menos adequados para altas correntes e tensões CC. Em [1] afirma-se que "O Bias-T proposto foi projetado para os valores alvo IDCmax = 1 A e UDCmax = 150 V na frequência mais baixa fmin = 2 mHz e na largura de banda mínima atual de Bmin de 100 mHz" enquanto em [2] a faixa de frequência alvo atinge de 300 kHz a 100 mHz com uma corrente DC máxima de 3A. Ambas as publicações não apresentam quaisquer considerações sobre o conceito de proteção e também visam menor largura de banda e menores correntes e tensões DC. Em [2] são utilizadas bobinas com núcleo de ferro, o que provavelmente resulta na necessidade de fazer várias calibrações para diferentes valores de corrente CC para dar conta da influência dos efeitos de saturação. No entanto, nenhuma informação foi dada a esse respeito.
Para frequências muito baixas também existem soluções ativas interessantes para bias tees [3], que novamente não podem ser usadas para frequências mais altas. No entanto, o bias tee publicado neste artigo destina-se a ser usado principalmente para a medição de emissões eletromagnéticas conduzidas, para as quais um limite inferior de frequência de 9 kHz é bastante adequado. Uma solução passiva é, portanto, preferida.
Embora alguns dos conceitos descritos a respeito da construção dos componentes individuais já sejam conhecidos na literatura, tanto quanto é do conhecimento dos autores, ainda não existem publicações sobre tal composição para a construção de um tee enviesado. A vantagem particular desta forma especial de T de polarização é o possível uso para caracterização de pequenos sinais de componentes eletrônicos de potência, mantendo altas correntes e tensões de polarização de grandes sinais. Medindo os parâmetros S de vários componentes eletrônicos de potência e medindo as mudanças devido ao viés em uma ampla faixa de frequência, dados valiosos podem ser facilmente obtidos para modelar o comportamento desses componentes sob grande viés de sinal. As medições desta configuração mostram bons resultados em relação a propriedades importantes do T, como perda de inserção, perda de retorno e comportamento da temperatura.
A Figura 1 mostra quatro tês de polarização comuns consistindo em um capacitor de bloco CC e um indutor de desacoplamento de RF. A topologia geral de um tee bis é mantida neste projeto. O principal desafio é o projeto dos componentes para os valores necessários de indutância, capacitância, tensão e corrente e seu arranjo físico em um tê de polarização de modo que quatro desses tês de polarização possam ser dispostos para formar um sistema de medição de 4 portas, como ilustrado. O esquema do tê de viés proposto é mostrado na Figura 2 e discutido em detalhes nas seções a seguir.
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