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Amplificadores clase D reducen EMI en portátiles

La Interferencia Electromagnética (EMI) en dispositivos portátiles (PDAs) es un problema que impacta en su rendimiento. El uso de amplificadores clase D es un método para reducir esta afectación.

(ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas)

En el diseño de dispositivos portátiles como smartphones, los ingenieros ven como uno de los principales enemigos la Interferencia Electromagnética (EMI) ya que este fenómeno afecta la calidad de las comunicaciones y el rendimiento de los propios aparatos al generar fallas de audio, pero existe una solución para combatir este problema haciendo uso de amplificadores de conmutación clase D.

Amplificadores clase D reducen EMI en portátiles

La compañía diseñadora de dispositivos semiconductores Maxim Integrated Circuits cuenta con un estudio de carácter técnico en el que se vierten pasos sugeridos por ingenieros especializados de esta firma para reducir la Interferencia Electromagnética (EMI) y mantener así una óptima eficiencia en dispositivos portátiles (PDAs) implementando amplificadores clase D.

El documento menciona que los amplificadores de conmutación clase D son tradicionalmente conocidos por ser eficientes, y debido a su perfil se convierten en excelentes candidatos para utilizarse en PDAs que requieren de una mayor duración de sus baterías y una baja disipación térmica. Sin embargo, el EMI es un tema que se acompaña de la topología con amplificadores clase D. Por ejemplo, en su uso –sostiene el documento- la limitación de emisiones activas reduce las radiaciones y permite operaciones sin filtro, lo cual permite a los ingenieros crear pequeñas pero eficientes aplicaciones portátiles con EMI bajo y controlado.

EMI en circuitos
La interferencia electromagnética o EMI es un fenómeno que impacta el
rendimiento de circuitos eléctricos.

Es importante apuntar que a diferencia de las resistencias activas utilizadas en los modos lineales de los amplificadores clase AB, los amplificadores clase D utilizan un modo conmutado de los transistores para regular la entrega de potencia. Además, el amplificador cuenta con algunas características como poca fuga de energía, ventaja que deriva en el uso de menos disipadores de calor.

Esquemático de un amplificador de conmutación clase D convencional
Esquemático de un amplificador de conmutación clase D convencional

En el caso de que el ingeniero requiera de una conversión de voltaje, la frecuencia alta de conmutación permite que los transformadores grandes para sistemas de audio -que en muchas ocasiones son estorbosos- sean reemplazados por pequeños inductores de potencia. Para el caso de los filtros LC pasa-bajo, su función es suavizar los pulsos y restaurar la forma de la señal en la carga. Estos atributos son reconocidos por los ingenieros desarrolladores quienes regularmente los utilizan para reforzar el sonido, pues se requiere de un alto voltaje de salida.

Maxim señala que la creciente proliferación de dispositivos electrónicos portátiles (PDAs) en el segmento de la Electrónica de Consumo tales como smartphones, tabletas y reproductores multimedia, entre otros, demandan mayor calidad en la amplificación de sonido. Estos amplificadores de sonido son necesarios al mismo tiempo para extender la vida de las baterías y reducir el consumo de energía, asimismo para mantener el sistema en óptimas condiciones y con niveles bajos de Interferencia Electromagnética (EMI).

También es importante resaltar que los ‘amps’ D ofrecen aproximadamente el 90% de eficiencia comparado con el 50% ofrecido por los ‘amps’ clase AB. El hecho de que los D ofrezcan mayor eficiencia es importante para los PDAs pues se traduce en menores niveles de consumo de energía, obteniendo una buena disipación térmica, extendiendo la vida de las baterías y ahorrando espacio físico en las placas base.

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La Interferencia Electromagnética o EMI como perturbación, afecta principalmente a los circuitos (ICs) y otros sistemas electrónicos de un sistema, y es causado por fuentes de radiación electromagnética externa. Esta perturbación puede interrumpir, degradar o limitar el rendimiento de ese sistema o los subsistemas del mismo.

La compañía reconoce que ante esta situación los ingenieros deben conocer los estándares EMI dispuestos por la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC, por sus siglas en inglés) que están asignados para productos electrónicos como PDAs sujetos a las normatividades industriales EMI.

“Administrar y controlar el EMI es incluso más complejo debido a que la estructura de los dispositivos es cada vez más pequeña”, indica Maxim. “La limitación de espacio fuerza a los diseñadores a eliminar filtros de salida y sistemas de protección que ayudan a tareas de supresión de EMI. No obstante, la eliminación de tales componentes para ahorrar espacio hace que el EMI sea mucho más complejo de controlar”.

El artículo señala que para entender cómo el EMI es generado en los amplificadores de audio clase D, es necesario comprender la arquitectura del mismo. Los amplificadores clase D modulan las formas de onda triangulares de alta frecuencia con una señal-audio de entrada tal y como se muestra en la siguiente ilustración:

Esquematico
En esta figura aparece un diagrama de bloques simplificado de un amplificador básico clase D con medio puente de modulador por ancho de pulsos (PWM), dos salidas MOSFET y un filtro baja-paso (LF y CF) para recobrar la señal de audio amplificada de una onda cuadrada de salida

Regularmente la bocina incorpora un filtro de pasa-bajo, el cual remueve altas frecuencias y recobra al mismo tiempo las formas de onda originales del audio. Esta propuesta trabaja bien debido a que el amplificador clase D está continuamente cambiando en modos on/off. Consecuentemente los dispositivos (PDAs) que utilizan los amplificadores D pierden menos energía que aquellos que equipan los modelos AB donde las salidas están parcialmente encendidos casi todo el tiempo. El artículo de Maxim sugiere dirigirse a la nota número 3977 bajo el nombre “Amplificadores Clase D: Fundamentos de Operación y Desarrollos Recientes”, que se encuentra en el mismo sitio de Internet para hallar más información detallada sobre este factor.

Los bordes de las ondas cuadradas producen componentes de alta frecuencia que regularmente son radiados por las tarjetas de circuito impreso (PCBs) y tales transiciones de salida pueden crear cargas incontrolables en el sistema que pueden introducir contenido de alta frecuencia indeseado para controlar el EMI.

El artículo refiere que afortunadamente las técnicas de control de los bordes de las ondas cuadradas tales como la limitación de emisiones activas, ahora están siendo integradas en muchos amplificadores clase D para administrar los problemas de EMI y eliminar la necesidad de filtros grandes de salida, lo cual también se traduce en un incremento en la inversión de los fabricantes.

Controles EMI y ahorro importante de espacio La limitación de emisiones activas es una propiedad de la tecnología para el control de niveles de borde que están integrados a una gran variedad de amplificadores clase D del portafolio de Maxim. Los circuitos AEL reducen los componentes espectrales banda-espejo sin que se degrade la calidad del audio.

El documento señala que las transiciones rápidas de salida mejoran la eficiencia del sistema mediante la minimización de pérdidas desde un modo sube/baja de los dispositivos de salida. No obstante, esas transiciones rápidas también introducen contenido de alta frecuencia que impacta negativamente en la calidad de las emisiones. Con el AEL las salidas de riel-a-riel se equilibran inteligentemente para reducir las tan indeseadas frecuencias cambiantes y al mismo tiempo se mantiene una buena eficiencia. En una serie de figuras, Maxim muestra uno de sus amplificadores clase D y los niveles óptimos de AEL integrado en el mismo dispositivo, además se realiza una comparación con aquellos amplificadores que no cuentan con AEL incorporado.

Eficiencia típica de audio del amplificador MAX98214 Clase D con AEL de Maxim
Eficiencia típica de audio del amplificador MAX98214 Clase D con AEL de Maxim
Espectro EMI
El espectro EMI del amplificador clase D MAX98214 con AEL reduce el EMI y elimina la necesidad de filtros de salida como ocurre con otros amplificadores clase D.
Eficiencia de un Clase D de audio que no posee AEL
Eficiencia de un Clase D de audio que no posee AEL
Espectro EMI para un amp clase D con AEL
Espectro EMI para un amp clase D con AEL

En conclusión, el método AEL permite a los ingenieros desarrolladores beneficiarse de la buena eficiencia de los amplificadores Clase D y sin que se preocupen del EMI causado de la topología de ‘switching’. Además de reducir el EMI y eliminar la necesidad de filtros y otros componentes de supresión, la técnica AEL en integración con los amplificadores Clase D, otorga a los ingenieros la posibilidad de reducir la Interferencia Electromagnética incluso en aquellos dispositivos muy pequeños, reducir los costos de desarrollo debido a la eliminación de módulos adicionales y por supuesto obtener una mayor vida de batería para los dispositivos electrónicos portátiles (PDAs).

Para mayor información sobre los amplificadores clase D de la compañía Maxim Integrated Circuits, puede acceder al sitio de Internet: http://www.maxim-ic.com

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