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Cómo reducir el EMI en PDAs usando amplificadores clase D

La Interferencia Electromagnética (EMI) en la circuitería de los aparatos portátiles es un problema que impacta en el rendimiento de los mismos. El uso de amplificadores clase D es un método para reducir esta afectación.

(ElectronicosOnline.com Magazine / Oswaldo Barajas)

La Interferencia Electromagnética (EMI) es uno de los enemigos más comunes de las comunicaciones en los dispositivos electrónicos portátiles (PDAs) pues generan fallas en el audio principalmente, pero existe una solución para taclear este problema haciendo uso de los amplificadores de conmutación clase D.

En el portal de Internet de la compañía diseñadora de dispositivos semiconductores Maxim Integrated Circuits, se entrega un estudio de carácter técnico en el que se vierten los pasos sugeridos por ingenieros especializados de esta firma para reducir la Interferencia Electromagnética (EMI) y mantener así una óptima eficiencia en dispositivos portátiles (PDAs) haciendo uso de los amplificadores clase D.

El documento inicia exponiendo que los amplificadores clase D son tradicionalmente conocidos por ser eficientes, y debido a su perfil se convierten en excelentes candidatos para los dispositivos electrónicos portátiles (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 diseñadores crear pequeñas pero eficientes aplicaciones portátiles con EMI bajo o controlado.

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 pérdida de energía y esta ventaja deriva en el uso de menos disipadores de calor.

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 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. Estas virtudes son reconocidas por los ingenieros desarrolladores quienes regularmente los utilizan con frecuencia en amplificadores de sistemas para reforzar el sonido, pues se requiere un alto voltaje de salida.

El artículo de Maxim señala que la creciente proliferación de dispositivos electrónicos portátiles (PDAs) en el segmento de la Electrónica de Consumo tales como los smartphones, tabletas y reproductores multimedia, por mencionar algunos ejemplos, demandan mayor calidad en la amplificación de sonido. Estos amplificadores de sonido son requeridos para extender la vida de las baterías y reducir el consumo de energía, y al mismo tiempo para mantener el sistema de los dispositivos en óptimas condiciones pero con niveles bajo de Interferencia Electromagnética (EMI).

También es importante notar que los amps clase D son bien utilizados debido a que 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 pues para los PDAs esto se traduce en menores niveles de consumo de energía, extendiendo la vida de las baterías, ahorrando espacio físico en las tarjetas y obteniendo una buena disipación térmica.

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

Maxim 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) y los cuales están asignados para productos electrónicos como PDAs que estén 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 de manera textual el documento. “La limitación de espacios fuerza a los diseñadores eliminar los filtros de salida y sistemas de protección que ayudan a tareas de supresión del EMI. No obstante, la eliminación de tales componentes para ahorrar espacio importante hace que el EMI introducido por el amp de Clase D 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:

En esta figura aparece un diagrama de bloques simplificado de un amplificador básico clase D con medio puente de un 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 la alta frecuencia 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 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 ‘on’ 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.

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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 controlar 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 pérdida 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.

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

Espectro EMI para un amp clase D con AEL

Como 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 componentes 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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