Amplificador Clase E como fuente de interferencias electromagnéticas operando en conmutación suave y conmutación forzada

Recientemente, algunos fabricantes de teléfonos celulares, tales como Samsung, Apple y Huawei, han introducido sistemas de carga inalámbricos como una de las funciones innovadoras en sus dispositivos de gama alta para cargar la batería del celular sin usar cables [1. Estos sistemas son también conocidos como sistemas de transferencias de energía inalámbricos (sistemas WPT, por sus siglas en inglés) [2. En general los principales beneficios del uso de esta tecnología para el usuario son [3: a) Simplifica el uso del dispositivo, ya que se elimina la molestia de conectar los cables. b) Proporciona una mayor durabilidad del producto, por ejemplo, los dispositivos se pueden diseñar completamente a prueba de agua y polvo, ya que no necesitan un puerto para conectar los cables. c) Suponiendo un acceso simple a la estación de carga, se requiere menor capacidad de almacenamiento de energía en sus baterías lo que significaría el diseño de teléfonos celulares más ergonómicos. El concepto de WPT propuesto por Nicola Tesla en el siglo XX ha evolucionado a sistemas de acoplamiento electromagnético usados en aplicaciones de electrónica de consumo usando estándares internacionales, tales como: Wireless Power Consortium (WPC) [4, Power Matters Alliance (PMA) [5, Alliance for Wireless Power (A4WP) [6, y AirFuel [7. La técnica de acoplamiento electromagnético más usada es la transferencia de potencia por acople inductivo (IPT por sus siglas en inglés) [8, adoptada por el estándar Qi que usa frecuencias de 87 to 205 kHz con niveles de potencia desde 5W hasta 30 W [9. Un sistema WPT de carga de baterías usando la técnica de IPT (Figura 1) consiste en una fuente de energía que alimenta un conversor DC/RF que transforma la señal en una señal adecuada para alimentar el enlace inductivo, que a su vez transporta la energía inalámbricamente y alimenta a un conversor RF/DC que carga la batería con la energía recibida. Figura 1. Diagrama en bloques de sistema de recarga inalámbrico usando IPT. Tomado de [2 Para que la eficiencia del sistema, esté limitada solamente por la eficiencia del enlace inductivo, los conversores deben ser muy eficientes. El conversor DC/RF de un sistema WPT, típicamente es implementado con un amplificador de potencia (PA) como se ilustra en la Figura 2. Figura 2. Implementación del conversor DC/RF con PA. Los PA conmutados fueron propuestos por primera vez en el año 1975 por N.O. Sokal y A.D. Sokal [10, este tipo de amplificadores tienen una cota teórica de eficiencia de 100%, la cual es mucho mayor a la de los amplificadores lineales (i.e., Clase A, AB, B, C) [11. Los PA de conmutados pueden clasificarse en clase D, E y F. En general, los PA de conmutación son adecuados en sistemas con un esquema de modulación envolvente constante como FSK (o FM) debido a que no son lineales debido a la naturaleza de conmutación [12. En el estándar Qi se proponen diseños de referencias basados en amplificadores clase D, especialmente por su invariancia en su eficiencia ante variaciones de la carga. Sin embargo, el amplificador clase E es un fuerte candidato a reemplazarlos en enlaces inductivos con un mayor alcance en el rango de los MHz [13, ya que permite conmutación suave con una topología sencilla con un solo transistor (Figura 3). Este amplificador ha sido estudiado en aplicaciones inalámbricas por varios trabajos [14-19. Figura 3. Topología de circuito de un PA clase E. Tomado de [24 En general, para mantener la eficiencia alta en amplificadores de potencia conmutados es posible disminuir las pérdidas en los dispositivos semiconductores, conmutando dichos elementos con condiciones de corriente y voltaje cero (i.e., ZVS y ZVS, por sus siglas en inglés) [2, este mecanismo de operación es denominado como conmutación suave. Para que un PA opere con conmutación suave es necesario que la topología de circuito lo permita. En el PA ideal de Clase E (Figura 4), el voltaje sobre el interruptor llega a cero con pendiente cero al momento de encender el interruptor (i.e., ZVS y DZVS, por sus siglas en ingles), por lo que teóricamente produce una pérdida de conmutación cero [15. Sin embargo, estas formas de onda varían con la variación de carga haciendo que el PA se convierta en una fuente de contaminación significativa en la operación nominal del sistema. En aplicaciones de carga inalámbrica las variaciones de carga, las variaciones de acoplamiento magnético entre las bobinas y el desplazamiento de la frecuencia de funcionamiento pueden hacer que el voltaje de salida se desvié significativamente del valor de diseño original, lo que resulta en una característica indeseable en aplicaciones donde se requiere un voltaje de salida constante y estable [17. Más aun, se ha demostrado que el desplazamiento de las bobinas desde su posición óptima, así como las variaciones de la impedancia de carga, causan que el Clase E funcione en condiciones de conmutación forzada [16 - [17. Como resultado, la eficiencia general del sistema WPT se degrada y la potencia en la carga se reduce [19, generando contaminación electromagnética. La Compatibilidad electromagnética (EMC, por sus siglas en inglés) se define como ¿la habilidad de un aparato, equipo o sistema de funcionar satisfactoriamente en un ambiente electromagnético sin introducir disturbios intolerables hacia cualquier cosa dentro de ese ambiente¿ [20. La interferencia Electromagnética (EMI, por sus siglas en inglés), y como parte del EMC, se define como una contaminación ambiental generada por el aparato, equipo o sistema en el espectro electromagnético, el cual es utilizado por los dispositivos de telecomunicaciones para enviar y recibir información vía inalámbrica. El EMI afecta la operación de los equipos electrónicos porque se inducen voltajes y corrientes no deseadas debido a dos fenómenos fundamentales. El primero es debido a los cables que llevan la energía para la operación de los equipos. La segunda es debido a la radiación electromagnética, la cual es transportada hacia el equipo de forma no controlada por el medio (usualmente el aire) sin contacto físico. Aunque ambos fenómenos están relacionados con la emisión de ondas electromagnéticas siguiendo las ecuaciones físicas del electromagnetismo, conocidas como ecuaciones de Maxwell, la primera está más relacionado con fenómenos de acoplamiento por campo cercano y lejano. Ambos tipos de contaminación están documentados dentro de los estándares de EMC, siendo conocidos explícitamente como pruebas de interferencia por emisiones conducidas y emisiones radiadas. En el EMC se destacan 3 actores, a saber: la fuente de interferencia (Emisor), Tipo de acoplamiento, y el Receptor (Víctima), como se muestra en la Figura 4, siendo el tipo de acoplamiento el conducido o el radiado. Figura 4. Diagrama conceptual de EMC para emisiones electromagnéticas. Tomado de [21 El emisor en nuestro caso de interés es un aparato, equipo o sistema artificial realizado por el ser humando vía electrónica. Particularmente, está investigación está interesada en determinar la cantidad de energía contaminante vía conducida y radiada emitida por un amplificador de potencia clase E operando en condición de conmutación suave y forzada [22. Para realizar esta medida, se utilizará un ambiente controlado conocido como GTEM, el cual permitirá documentar la afectación de un receptor (víctima) arbitrario siguiendo las normas de pre-conformidad y conformidad de los entes reguladores CISPR (Comité Especial Internacional de Perturbaciones Radioeléctricas, por sus siglas en francés) y IEC (Comisión Electrotécnica Internacional, por sus siglas en inglés), específicamente bajo las normas CISPR14 [23, CISPR32 [24 y IEC 61000-4-20 [25. En este contexto la investigación pretende responder la siguiente pregunta ¿Cómo se afecta la interferencia electromagnética conducida y radiada por un amplificador clase E operando en conmutación suave y forzada? [1 A. Costanzo et al., ¿Electromagnetic energy harvesting and wireless power transmission: A unified approach,¿ Proc. IEEE, vol. 102, no. 11, pp. 1692¿1711, Nov. 2014. [2 A. Fajardo, "Contributions on the energy flow modeling in a self-sustainable wireless energy transfer system based on efficient inductive links", Ph.D. dissertation, Univ. Federal de Santa Catarina, Florianopolis, 2018. [3 Lu, X., Wang, P., Niyato, D., Kim, D. I., & Han, Z. (2016). Wireless charging technologies: Fundamentals, standards, and network applications. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 18(2), 1413-1452. [4 Online. Disponible en: http://www.wirelesspowerconsortium.com/ [5 Online. Disponible en: http://www.powermatters.org [6 Online. Disponible en: http://www.rezence.com/ [7 Online. Disponible en: https://www.airfuel.org/ [8 S. L. Ho, J.Wang,W. N. Fu, and M. Sun, ¿A comparative study between novel witricity and traditional inductive magnetic coupling in wireless charging,¿ IEEE Trans.Magn., vol. 47, no. 5, pp. 1522¿1525, May 2011. [9 Online.Available: https://www.wirelesspowerconsortium.com/knowledge-base/specifications/history-of-the-qi-specification.html [10 Sokal, N.O. and Sokal, A.D., Class E-A new class of high-efficiency tuned single-ended switching power amplifiers, IEEE Journal of Solid-State Circuits, Vol. 10, Issue: 3, pp. 168-176, 1975. [11 Ka Wai Ho and Howard C. Luong. A 1-V CMOS Power Amplifier for Bluetooth Application. IEEE Transactions on Circuits and Systems-II, Analog and Digital Signal Processing , vol. 50, no. 8, pp. 445-449, 2003. [12 Ping Song and 20Howard, C.L., A 1.0-V 15.6-dBm 39.5%-PAE CMOS Class-E Power Amplifier with On-Chip Transformer for Q Enhancement, Asian Solid-State Circuits Conference, pp. 141-144, 2005. [13 S. Liu, M. Liu, S. Han, X. Zhu and C. Ma, "Tunable Class E2 DC¿DC Converter With High Efficiency and Stable Output Power for 6.78-MHz Wireless Power Transfer," in IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 33, no. 8, pp. 6877-6886, Aug. 2018. [14A.Mazzanti,}