Welche EMI-Filter eignen sich am besten, um die EMV-Prüfung zu bestehen?

Wenn Sie eine EMV-Prüfung bestehen müssen, Ihr neues Produkt aber wegen einer hartnäckigen Störquelle den Dienst versagt, denken Sie vielleicht über ein komplettes Produkt-Redesign nach. Lagenaufbau, Leiterbahngeometrie und Bauteilanordnung sind zwar gute Ansatzpunkte, doch können Sie noch mehr tun, um bestimmte EMI-Quellen zu unterdrücken. Eine weitere gute Möglichkeit ist der Einsatz eines passenden EMI-Filters.

EMI-Filter steht für Electromagnetic Interference Filter. Ein solcher Filter dient dazu, EMI in diversen Frequenzbereichen zu unterdrücken. Diese Schaltungen können passiv oder aktiv sein und bieten unterschiedliche Dämpfungsverhalten innerhalb der jeweiligen Frequenzbereiche. Die optimale Wahl eines EMI-Filters hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, die vom verfügbaren Bauraum auf Ihrer Leiterplatte bis zur erforderlichen Dämpfung reichen. Nachfolgend stellen wir Ihnen die verschiedenen EMI-Filter vor und geben Ihnen damit eine Entscheidungsgrundlage an die Hand.

Arten und Funktion von EMI-Filtern

EMI-Filter werden in passive und aktive Filter unterschieden, d. h. der jeweilige Filter ist mit passiven bzw. aktiven Bauteilen aufgebaut. Betrachten wir zunächst die gängigsten Typen jeder Kategorie:

Passive EMI-Filter

Der vermutlich gebräuchlichste passive EMI-Filter ist der Ferritkern („Drossel“). Dabei handelt es sich um eine Induktivität, die eine Tiefpass-Filterung bis zu einigen zehn MHz bewirkt. Diese Bauelemente filtern differenzielle sowie Gleichtaktstörungen. Falls Sie dies auf einem Laptop lesen, bemerken Sie vielleicht an dem Netzkabel Ihres Computers eine solche Drossel. Sie soll hochfrequente Störungen auf der Eingangsnetzleitung reduzieren.

Andere passive EMI-Filter bestehen aus LC-Schaltungsanordnungen. Die einfachsten davon sind C-Filter (als Shunt-Kondensatoren geschaltet) und L-Filter (als Reiheninduktivitäten geschaltet). Diese werden in kritischen Schaltkreisen oder am Eingang eines kritischen Bauteils platziert, um Störungen in einem breiten Frequenzbereich zu filtern. Komplexere Anordnungen sind in der Abbildung unten dargestellt. Was die Pi- und T-Filter betrifft, so werden diese bevorzugt bei niedrigen Quellen- bzw. hohen Lastimpedanzen eingesetzt.

Wenn Sie ein bestimmtes Signal durchlassen müssen, während alle anderen Frequenzen unterdrückt werden sollen, dann verwenden Sie einen Bandpassfilter. Möchten Sie jedoch ein starkes Störsignal auf einer einzelnen Frequenz unterdrücken (z. B. Streuemission einer Antenne), erfordert dies eine Bandsperre. Beachten Sie, dass die Anzahl der LC-Elemente in der Schaltung die Filterordnung bestimmt. Die Konstruktion eines Filters höherer Ordnung (d. h. eines kaskadierten Filters) führt zu einem steileren Abfall jenseits des Durchlassbereichs.

Achten Sie beim Aufbau eines passiven LC-Filters auf die Eigenresonanzfrequenzen dieser Bauteile. Eine parasitäre Induktivität in einem Kondensator führt dazu, dass dieser bei ausreichend hohen Frequenzen eine induktive Impedanz aufweist; ähnlich bei einem Kondensator. Falls Sie mit extrem hohen Frequenzen arbeiten, müssen Sie deshalb Komponenten mit ausreichend hohen Eigenresonanzfrequenzen wählen. Falls Sie Filterkaskaden verwenden, beachten Sie, dass sich die beiden Durchlass-/Sperrbereiche in Ihrer Filterschaltung nicht überlappen. Beide Filterkreise können sich gegenseitig in Resonanz versetzen und einen neuen, unerwarteten Durchlass- oder Sperrbereich in der Übertragungsfunktion des Filters erzeugen.

Aktive EMI-Filter

Aktive Filter sind das transistorgesteuerte Pendant zu passiven Filtern. Diese Filter verwenden i. d. R. Operationsverstärker sowie passive Bauelemente, um eine Filterung in der gewünschten Bandbreite zu erreichen. Diese Filter können auch als Filter höherer Ordnung konstruiert werden, um ein steiles Abfallen mit relativ flachen Durchlass- oder Sperrbereichen zu erzielen. Jeder der äquivalenten Grundfilter kann mit Operationsverstärkern aufgebaut werden. Diese Filter werden oft in Systems-on-a-Chip für bestimmte Anwendungen integriert. Sie können auch so konfiguriert werden, dass sie Gleichtakt- und Differenzstörungen in einem einzigen Schaltkreis unterdrücken.

Dieser Teilbereich des Elektronik-Designs ist recht breit gefächert und wird in vielen Lehrbüchern behandelt. Ein großartiges Lehrbuch zu diesem Thema ist das Manual of Active Filter Design von John L. Hilburn.

Noch weiter in Richtung Mikrowellen- und mmWave-Frequenzen

In diesem Bereich ist die EMI/EMC-Prüfung und Konformität anspruchsvoller – genauso wie die Geräte, die dafür entwickelt und getestet werden. Denken Sie z. B. an zwei 5G-fähige Mobiltelefone. Niemand will, dass sich zwei Geräte durch elektromagnetische Interferenz gegenseitig stören. Der Einsatz bewährter Verfahren beim HF-Layout/Routing, Lagenaufbau und eine besondere HF-Verbindungsarchitektur leisten einen großen Beitrag zur Unterdrückung von EMI-Aussendung bzw. -Störanfälligkeit dieser Art von Produkten.

Stellt EMI bei einem zu prüfenden Gerät ein schwierig zu lösendes Problem dar, sind, über die oben genannten Punkte hinaus, weitreichendere Designentscheidungen zu berücksichtigen. Absorbierende Beschichtungen können helfen, eine zusätzliche Abschirmung zu schaffen, insbesondere bei von der Platinenkante emittierten EMI-Strahlung im GHz-Bereich. Spezielle Abschirmmaßnahmen zwischen verschiedenen Schaltungsblöcken können auch einen großen Beitrag zur Unterdrückung von EMI in einem Produkt leisten bzw. eine zusätzliche Abschirmung gegen externe Einstrahlung bieten. 

Unabhängig davon, welche Arten von EMI-Filtern, Verbindungsgeometrie oder Abschirmungstechniken Sie verwenden, sollten Sie deren Auswirkungen auf die Signalintegrität mit Pre-Layout- und Post-Layout-Simulationstools simulieren. Pre-Layout-SPICE-Simulationen sind ideal, um EMI-Filterdesigns zu bewerten und sicherzustellen, dass Ihr Filter das richtige Dämpfungsmaß innerhalb der gewünschten Bandbreite bietet.

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