¿Qué tipos de filtros EMI son mejores para superar las pruebas de compatibilidad electromagnética (EMC)?

Cuando necesitas pasar las pruebas de EMC y tu nuevo producto está siendo afectado por una fuente misteriosa de EMI, probablemente comiences a considerar un rediseño completo del producto. Tu apilamiento, diseño/ruteo y la colocación de componentes son buenos puntos de partida, pero podría haber más que puedas hacer para suprimir fuentes específicas de EMI.

Existen muchos tipos diferentes de filtros EMI que puedes colocar en tu diseño, y el filtro adecuado puede ayudar a suprimir la EMI en una variedad de rangos de frecuencia. Estos circuitos pueden ser de tipo pasivo o activo y proporcionar diferentes niveles de supresión en diferentes anchos de banda. La mejor elección de filtro EMI para tu diseño depende de una variedad de factores, que van desde el espacio en tu placa hasta la atenuación requerida. Además, algunos filtros son relativamente de banda ancha (por ejemplo, op-amps), mientras que otros circuitos solo pueden apuntar a rangos de frecuencia estrechos.

Tipos de Filtros EMI

Todos los filtros EMI pueden clasificarse como filtros pasivos y activos, donde cada tipo se construye con componentes pasivos o activos, respectivamente. Profundizando, estos diferentes tipos de filtros se enfocan en tipos específicos de ruido: ya sea modo común o modo diferencial. Obviamente, estos circuitos pueden ser cascados para proporcionar filtrado de ambos tipos de EMI. Cuando estás tratando de corregir un problema de EMI, incluyendo después de haber fallado en pruebas de EMC, puede que necesites implementar múltiples soluciones más allá del filtrado.

Repasemos los tipos comunes de filtros EMI que caen en cada categoría:

Filtros EMI Pasivos

Filtros EMI Pasivos de Modo Diferencial

Quizás el filtro EMI pasivo más común sea un anillo de ferrita. Esto es básicamente un inductor con cierta capacitancia parásita que proporciona filtración de paso bajo hasta varias decenas de MHz. Estos componentes pueden proporcionar filtración de EMI conducido en modo común o diferencial. Si estás leyendo esto en una laptop, entonces es probable que tu cable de alimentación use uno de estos anillos para eliminar el ruido de alta frecuencia en la línea de entrada de energía. Cuando miras la PCB, hay varios otros circuitos que puedes usar para proporcionar filtración.

La imagen a continuación muestra una colección de circuitos LC utilizados como filtros EMI pasivos en modo diferencial. Estos circuitos de filtro son en modo diferencial porque, físicamente, solo tendríamos una única referencia para el camino de retorno. Un ejemplo aquí sería un dispositivo alimentado con voltaje de CC de 2 hilos, como con una fuente de alimentación de banco o una batería. Note que puede haber un chasis flotante o conectado a tierra cerca, pero en los circuitos a continuación, este no participa directamente en la conducción de corriente y tiene aislamiento perfecto del resto del sistema.

Los filtros más simples de estos son los filtros C (conectados como capacitores en derivación) y los filtros L (conectados como inductores en serie). Estos pueden colocarse en un circuito crítico o en la entrada de un componente crítico para eliminar el ruido en un amplio rango de frecuencias. Configuraciones más complejas se muestran en la imagen a continuación. En cuanto a los filtros Pi y T, estos se utilizan mejor con impedancias de fuente/carga bajas y altas, respectivamente.

Si necesita pasar su señal deseada a un componente mientras suprime todas las demás frecuencias, entonces necesita construir un filtro de paso de banda. De manera similar, es posible que desee suprimir una señal fuerte en una única frecuencia (como una emisión errante de una antena), lo que requeriría un filtro de rechazo de banda. Note que el número de elementos L/C en el circuito determina el número del filtro; construir un filtro de orden superior (es decir, en cascada) proporcionará una caída más pronunciada fuera de la banda de paso.

Filtros EMI Pasivos de Modo Común

La lista anterior de filtros EMI se puede construir como filtros de modo común al introducir un conductor de referencia adicional. Como es bien sabido, las corrientes de modo común se inducen a través de la capacitancia parásita hacia una referencia externa, como el metal en el chasis o algún conductor externo (es decir, a través de un bucle de tierra). Las corrientes de modo común también pueden entrar en un sistema a través de sus líneas de alimentación, por ejemplo, a través de la salida de una fuente de alimentación de CC conmutada o de la red de CA.

Para lidiar con el ruido de modo común, tiene tres opciones potenciales que puede usar en una línea diferencial:

1. Utilice un elemento de alta impedancia en serie en la línea, es decir, un filtro de modo común
2. Utilice un elemento de derivación de baja impedancia de vuelta al sistema de referencia (generalmente el chasis o de vuelta a tierra)
3. Modifique el diseño para eliminar el acoplamiento capacitivo

La imagen a continuación muestra una disposición donde hemos satisfecho los puntos 1 y 2. El circuito del filtro EMI a continuación se aplica a una entrada de corriente alterna, o a una entrada de CC de 2 hilos (+V y común de CC) con un cable conectado a tierra que se conecta al chasis. Este circuito contiene dos elementos separados: un filtro de modo común y un filtro de paso bajo a través de un par de capacitores.

Filtros EMI Activos

Los filtros activos son el análogo transistorizado de los filtros pasivos. Estos filtros utilizan op-amps y pasivos para proporcionar filtración en el ancho de banda deseado. Estos filtros también pueden construirse como filtros de orden superior para proporcionar una atenuación pronunciada con bandas de paso o de parada relativamente planas. Cualquiera de los filtros fundamentales equivalentes puede construirse con op-amps, y estos filtros a veces se integran en SoCs u otros CI especializados para aplicaciones particulares. También pueden configurarse para suprimir el ruido de modo común y diferencial en un solo circuito.

Un ejemplo sería el esquemático anterior con el filtro de modo común y un par de capacitores conectados a un op-amp. La función de transferencia del amplificador puede entonces ajustarse añadiendo elementos reactivos al bucle de retroalimentación, aunque hay que tener cuidado con la estabilidad de este tipo de circuito de filtro EMI activo. Esta área del campo del diseño electrónico es bastante amplia y está cubierta en muchos libros de texto. Un gran libro de texto sobre este tema es Manual of Active Filter Design de John L. Hilburn.

Avanzando hacia las Frecuencias de Microondas y mmOnda

Las pruebas de EMI/EMC y el cumplimiento en este régimen son más complicados, al igual que los dispositivos que se están diseñando y probando. Cuando la EMI de un producto bajo prueba es un problema mayor, o cuando la EMI dentro de un producto es difícil de resolver, hay opciones de diseño más avanzadas a considerar más allá de los puntos mencionados anteriormente. Recubrimientos conformales absorbentes pueden ayudar a proporcionar aislamiento adicional, particularmente para EMI desde el borde de la placa a frecuencias de GHz. Estructuras de aislamiento únicas también pueden contribuir significativamente a suprimir la EMI radiada entre diferentes bloques de circuitos en un producto, así como proporcionar aislamiento adicional contra la EMI externa. Las mejores prácticas para el diseño/ruteo de RF, diseño de stackup y arquitectura de interconexión RF única avanzarán mucho hacia la supresión de emisión y recepción de EMI de estos tipos de productos.

Independientemente de los tipos de filtros de EMI, geometría de interconexión o técnicas de aislamiento que utilices, deberías simular sus efectos en la integridad de la señal utilizando herramientas de simulación pre-diseño y post-diseño. Las simulaciones SPICE pre-diseño son ideales para calificar los diseños de filtros de EMI y asegurar que tu filtro proporcione el nivel adecuado de atenuación dentro del ancho de banda deseado.

Cuándo Usar Circuitos de Filtro de EMI

Un punto importante que se debe considerar es qué acciones tomar cuando un diseño no supera las pruebas de EMC. Siempre que un cliente me ha pedido rehacer uno de sus diseños debido a un fallo en las pruebas de EMC, la solución no siempre requiere de circuitos de filtrado. A veces el problema es una adecuada conexión a tierra en la placa y en el recinto, o la solución puede involucrar la re-elaboración de un circuito específico además de añadir filtración EMI.

1. Comienza con el diseño y la conexión a tierra. Siempre que me piden solucionar un problema fantasma de EMI que causa el fallo en las pruebas de EMC, el primer lugar donde miro es planos de referencia divididos utilizados para el enrutamiento digital y cambio inadecuado entre planos de referencia en una placa de múltiples capas.
2. Si has hecho todo correctamente con la conexión a tierra y el enrutamiento, y todavía tienes algún problema de EMI, el problema puede requerir añadir un nuevo filtro EMI, o rediseñar un filtro EMI existente. Para el ruido de modo común, puede que necesites reconsiderar cómo has conectado a tierra el sistema para prevenir el acoplamiento de ruido capacitivo en el PCB.
3. Los dos pasos anteriores se enfocan principalmente en el EMI conducido que entra o sale de un sistema, así como cualquier EMI radiado producido por corrientes conducidas. Si has utilizado filtros EMI e implementado las mejores prácticas de diseño para tu placa, y aún observas un fuerte EMI radiado, entonces podrías necesitar ser más agresivo y añadir blindaje a nivel de placa o de la carcasa.

Más allá de los puntos anteriores, la filtración de EMI podría ser obligatoria para algunos sistemas. Dos ejemplos son en sistemas de medición y control de precisión que se interfazan con señales analógicas de bajo nivel, o en sistemas de alta potencia que se conectan a la red. Considera estos puntos y las fuentes particulares de EMI antes de empezar a añadir circuitos de filtro a cada interfaz en tu sistema.

Si optas por utilizar diseños de filtros EMI o tácticas más agresivas como el blindaje a nivel de placa en tu placa, utiliza las herramientas de diseño en Altium Designer para crear tu diseño físico y preparar tu diseño para la fabricación. Puedes usar la extensión EDB Exporter para importar tu diseño en los solucionadores de campo de Ansys y localizar problemas de EMI en tu diseño. Cuando estés listo para enviar tu diseño para fabricación y ensamblaje, puedes liberar fácilmente tus datos de diseño a tu fabricante con la plataforma Altium 365.

Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible con Altium Designer en Altium 365. Comienza tu prueba gratuita de Altium Designer + Altium 365 hoy.