Um Bias Tee 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 2021 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility & Signal/Power Integrity (EMC, SI & PI), onde recebeu reconhecimento como o Melhor Artigo do Simpósio. Ele foi reimpresso aqui com a permissão do IEEE. Direitos autorais 2022 IEEE.

Em muitas aplicações EMC, os componentes passivos precisam ser caracterizados para fornecer modelos de simulação e insights físicos sobre os 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 à corrente. Contudo, em muitas aplicações, os efeitos não lineares devem ser considerados e caracterizados. Isto pode ser conseguido com uma abordagem de sinal grande no domínio do tempo ou por linearização em torno de certos pontos de polarização. A caracterização linearizada de dispositivos potencialmente não lineares, como indutores de filtro ou capacitores, requer excitação simultânea do sinal de avaliação de sinal pequeno e da polarização de sinal grande, que é corrente para indutores e tensão para capacitores. O método mais comumente usado depende de um analisador de rede vetorial (VNA) e uma rede de polarização para aplicar a grande polarização do sinal.

Para níveis mais altos de corrente ou tensão, tees de polarização externos devem ser usados ​​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 tee de polarização linear para uma faixa de frequência de 9 kHz a 500 mHz que pode suportar 10 A continuamente ou 30 A por 10 minutos e pode ser polarizado até 500 V. Embora existam inúmeras publicações sobre tees 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 CC 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 CC. Em [2] são utilizadas bobinas com núcleo de ferro, o que provavelmente resulta na necessidade de fazer diversas calibrações para diferentes valores de corrente CC para levar em conta a influência dos efeitos de saturação. Contudo, nenhuma informação foi dada a esse respeito.

Para frequências muito baixas também existem soluções ativas interessantes para polarizações em T [3], que novamente não podem ser usadas para frequências mais altas. No entanto, o bias tee publicado neste artigo destina-se a ser utilizado principalmente para a medição de emissões eletromagnéticas conduzidas, para as quais um limite de frequência inferior 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, até onde é do conhecimento dos autores, ainda não existem publicações sobre tal composição para a construção de um viés em T. 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 à polarização em uma grande faixa de frequência, dados valiosos podem ser facilmente obtidos para modelar o comportamento desses componentes sob grande polarização de sinal. Medições desta configuração mostram bons resultados em relação a propriedades importantes do T, como perda de inserção, perda de retorno e comportamento de temperatura.

A Figura 1 mostra quatro T de polarização comum consistindo em um capacitor de bloco DC e um indutor de desacoplamento de RF. A topologia geral de um bis tee 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 T de polarização, de modo que quatro desses T de polarização possam ser dispostos para formar um sistema de medição de 4 portas, como mostrado. O esquema do T de polarização proposto é mostrado na Figura 2 e discutido em detalhes nas seções seguintes.