Unterdrücken Sie Störungen und EMI in Ihrer Leiterplatte mit dem richtigen analogen Filterdesign

Die Elektronikindustrie setzt weiterhin darauf, mehr Fähigkeiten auf kleinere PCBs zu packen, und Geräte werden mit niedrigerer Leistung und bei höheren Frequenzen betrieben. Die Unterdrückung von Störgeräuschen wird noch wichtiger, da die Betriebsfrequenzen steigen und die Signalpegel fallen. Dies wird mit einem EMI-Filter für Störungen auf einem PCB-Design besser handhabbar. Das Hinzufügen von Filtration zu Ihren PCB-Designs kann die Signalintegrität in EMI-anfälligen Umgebungen mit großen Streumagnetfeldern und in Anwendungen mit niedriger Leistung RF verbessern.

Industriestandards erfordern sogar, dass Ihr Gerät Störungsunterdrückung, EMI-Filter und EMC-Filterfunktionen enthält. Um die Standards für geleitete Emissionen zu erfüllen, muss das EMI-Rauschen bei Frequenzen von 150 kHz bis 30 MHz unterdrückt werden. Einige Produkte haben strengere Standards, und die unteren Grenzen beginnen bei 9 kHz. IoT-Anwendungen erfordern eine Ripple-Filterung bei 1 MHz, um Daten- und Signalintegrität zu erhalten.

Aktive vs. Passive Filter

Bei einem meiner ersten PCB-Designs musste ich ein Gerät zum Messen externer Niederfrequenzsignale bauen. Mein erster Versuch resultierte in einem Durcheinander von Datenpunkten, als ich eigentlich konsistente Messungen erwartet hatte. Bald fand ich den Schuldigen: Mein Netzteil von geringer Qualität lieferte eine Spannung mit erheblichem Rauschen. Anstatt in ein großes Netzteil-Upgrade zu investieren, konnte ich dieses Problem lösen, indem ich direkt auf meiner Leiterplatte einen EMI-Rauschfilter entwarf.

Auch wenn Sie alle besten Entwurfstechniken zur Geräuschunterdrückung und EMI-Reduzierung befolgt haben, kann Ihr Design immer noch anfällig für Störungen sein. Um die Signalintegrität weiter zu verbessern, können aktive und passive Filtermethoden verwendet werden, um sowohl EMI-Filter als auch EMC zu reduzieren. Bevor Sie auswählen, welche Filter in Ihrer Leiterplatte verwendet werden sollen, testen Sie immer Ihre Filterentwürfe und stellen Sie sicher, dass der Filter die geltenden Standards zur Geräuschreduzierung und elektromagnetischen Interferenz für PCBs erfüllt.

Passive Filter nutzen die Impedanz von Standard-Elektronikkomponenten, um Störungen in Schaltkreisen bei bestimmten Frequenzen zu verhindern. Aktive Filter kombinieren passive Filterkomponenten mit betriebenen Komponenten wie Verstärkern oder Transistoren. Aktive Filter können auch als oberflächenmontiertes Gerät mit kleinem Fußabdruck verpackt werden.

Bevor Sie ein EMI-PCB-Filterdesign oder Geräuschunterdrückung erstellen, müssen Sie etwas über die Frequenzbänder wissen, die Sie von Ihren Signalen filtern möchten.

PCB, entworfen für Mikrowellenanwendungen

Ein einfaches Beispiel für einen aktiven Filter ist der aktive Tiefpassfilter erster Ordnung. Ein RC-Tiefpassfilter kann an einen nicht-invertierenden Operationsverstärker angeschlossen werden. Diese Topologie ist auch auf Bandpass- oder Hochpassfilter anwendbar. Aktive Filter zweiter Ordnung haben ein komplizierteres Design. Filter dritter und höherer Ordnung lassen sich leicht durch das Hintereinanderschalten mehrerer Filter erster und zweiter Ordnung in Serie konstruieren, und diese Filter bieten eine steilere Flankensteilheit an den Rändern des Filterbereichs.

Der Hauptvorteil der Verwendung eines aktiven Filters ist der Gewinn, der erzielt werden kann. Eine Verstärkung kann durch Einbeziehung von Feedback- und Pull-Down-Widerständen am invertierenden Eingang angewendet werden.

Der kleine Fußabdruck von Operationsverstärker-ICs ermöglicht es, leistungsfähige Filter auf Ihrem PCB-Layout zu platzieren und lässt viel freien Platz für andere Komponenten. Der Nachteil aktiver Filter ist, dass Operationsverstärker bei hohen Frequenzen eine hohe Dämpfung aufweisen und aktive Filter nur in Anwendungen mit niedrigeren Frequenzen verwendet werden können.

Passive Mikrostreifenfilter

Mikrostreifenleitungen können verwendet werden, um passive Filter zu bauen, die direkt in die PCB eingebettet sind. Die Mittenfrequenz und die Bandbreite können basierend auf der Geometrie des Mikrostreifens angepasst werden. Diese Filter sind einfach herzustellen, aber sie tendieren dazu, einen größeren Fußabdruck als andere passive Filter zu haben.

Die Analyse dieser Filter ist ebenfalls recht einfach, da ihre Geometrie es ermöglicht, sie als Schaltung aus Induktoren und Kondensatoren zu modellieren. Wenn Ihnen die Schaltungsanalyse leicht fällt, können diese Filter schnell auf einen äquivalenten Schaltkreis reduziert werden, und Sie können die Formeln für die Filtereigenschaften von Hand herausfinden.

Unterschiedliche Mikrostreifen-Geometrien und -Layouts funktionieren als Bandpass-, Tiefpass- oder Hochpassfilter. Echte Hochpassfilter sind mit verteilten Mikrostreifenelementen extrem schwierig herzustellen. Eine Möglichkeit, einen Hochpassfilter zu bilden, besteht darin, ein Bandpass-Design mit einer extrem hohen Bandbreite und oberen Grenzfrequenz zu verwenden. Filter, die eine Hochpass-Topologie zu haben scheinen, erweisen sich als Bandpassfilter, wenn ihr Verhalten bei hohen Frequenzen analysiert wird.

Netzteilfilter

Gleichstromnetzteile wandeln in der Regel Wechselstrom in Gleichstrom um, indem sie einen Gleichrichterschaltkreis mit einem Glättungskondensator verwenden. Der Ausgang des Netzteils kann eine gewisse Restwelligkeit enthalten, selbst wenn das Netzteil eingebaute Filter enthält. Die Restwelligkeit kann durch das Design eines einfachen passiven Netzteilfilters unterdrückt werden.

Lineare Regler können einen Großteil der niederfrequenten Ripple-Spannung aus einer Stromversorgung unterdrücken, aber sie verlieren ihre Wirksamkeit bei Rauschkomponenten oberhalb von etwa 10 kHz. Höherfrequente Komponenten im Bereich von 100 kHz können mit einem LC-Filter unterdrückt werden. Das Filtern noch höherfrequenter Komponenten im MHz-Bereich kann durch das Platzieren von Bypass-Kondensatoren zwischen den ICs erreicht werden.

Wenn Sie die richtigen Spannungsanforderungen im Auge behalten, können Sie Ihr integriertes EMI-Filter besser verwalten

Das Filtern von Spannungsrippeln und deren höheren Harmonischen bis zu 1 MHz wird bei IoT-Geräten wichtig. Während der Datenübertragung in IoT-Geräten werden die Daten an ein Basisbandmodul gesendet, das Daten in ein 1 MHz Signal kodiert. Dieses 1 MHz Signal wird im RF-Sendermodul mit dem Trägersignal gemischt. Das Entfernen von Spannungsrippeln und Rauschen bis zu MHz-Frequenzen erhält die Signal- und Datenintegrität während der drahtlosen Übertragung.

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