Quali tipi di filtri EMI sono i migliori per superare i test EMC?

Quando è necessario superare i test EMC e il tuo nuovo prodotto è ostacolato da una fonte misteriosa di EMI, probabilmente inizierai a considerare un completo redesign del prodotto. La tua impilatura, il layout/routing e il posizionamento dei componenti sono buoni punti di partenza, ma potrebbe esserci di più che puoi fare per sopprimere specifiche fonti di EMI.

Ci sono molti diversi tipi di filtri EMI che puoi inserire nel tuo progetto, e il filtro giusto può aiutare a sopprimere l'EMI in una varietà di intervalli di frequenza. Questi circuiti possono essere di tipo passivo o attivo e offrire diversi livelli di soppressione in diverse bande di frequenza. La scelta migliore del filtro EMI per il tuo progetto dipende da una varietà di fattori, che vanno dallo spazio disponibile sulla tua scheda all'attenuazione richiesta. Inoltre, alcuni filtri sono relativamente a banda larga (ad esempio, gli op-amp), mentre altri circuiti possono mirare solo a intervalli di frequenza ristretti.

Tipi di filtri EMI

Tutti i filtri EMI possono essere classificati come filtri passivi e attivi, dove ciascun tipo è costruito rispettivamente con componenti passivi o attivi. Andando più a fondo, questi diversi tipi di filtri mirano a specifici tipi di rumore: o modo comune o modo differenziale. Ovviamente, questi circuiti possono essere cascata per fornire la filtrazione di entrambi i tipi di EMI. Quando stai cercando di correggere un problema EMI, inclusi i fallimenti nei test EMC, potresti aver bisogno di implementare multiple soluzioni oltre alla filtrazione.

Vediamo i tipi comuni di filtri EMI che rientrano in ciascuna categoria:

Filtri EMI Passivi

Filtri EMI Passivi in Modo Differenziale

Forse il filtro EMI passivo più comune è un induttore ferrite. Questo è fondamentalmente un induttore con una certa capacità parassita che fornisce filtrazione passa-basso fino a diverse decine di MHz. Questi componenti possono fornire la filtrazione di EMI condotto in modo comune o differenziale. Se stai leggendo questo su un laptop, allora il tuo cavo di alimentazione probabilmente utilizza uno di questi induttori per rimuovere il rumore ad alta frequenza sulla linea di alimentazione in ingresso. Quando guardi il PCB, ci sono diversi altri circuiti che puoi utilizzare per fornire la filtrazione.

L'immagine sottostante mostra una collezione di circuiti LC utilizzati come filtri EMI passivi in modalità differenziale. Questi circuiti di filtro sono in modalità differenziale perché, fisicamente, avremmo solo un unico riferimento per il percorso di ritorno. Un esempio in questo caso potrebbe essere un dispositivo alimentato con tensione DC a 2 fili, come con un alimentatore da banco o una batteria. Si noti che potrebbe esserci un chassis flottante o collegato a terra nelle vicinanze, ma nei circuiti sottostanti, questo non partecipa direttamente alla conduzione della corrente ed ha un'isolamento perfetto dal resto del sistema.

I filtri più semplici tra questi sono i filtri C (collegati come condensatori shunt) e i filtri L (collegati come induttori in serie). Questi possono essere posizionati in un circuito critico o sull'ingresso di un componente critico al fine di rimuovere il rumore in un ampio intervallo di frequenze. Configurazioni più complesse sono mostrate nell'immagine sottostante. Riguardo ai filtri Pi e T, questi sono meglio utilizzati rispettivamente con impedenze di sorgente/carico basse e alte.

Se hai bisogno di far passare il tuo segnale desiderato in un componente, sopprimendo tutte le altre frequenze, allora devi costruire un filtro passa-banda. Allo stesso modo, potresti voler sopprimere un segnale forte su una singola frequenza (come un'emissione parassita da un'antenna), il che richiederebbe un filtro passa-stop. Nota che il numero di elementi L/C nel circuito determina il numero del filtro; costruire un filtro di ordine superiore (cioè, in cascata) fornirà una pendenza di attenuazione più ripida al di fuori della banda passante.

Filtri EMI Passivi a Modo Comune

La lista sopra dei filtri EMI può essere costruita come filtri a modo comune introducendo un conduttore di riferimento aggiuntivo. Come è ben noto, le correnti a modo comune sono indotte tramite capacità parassita verso un riferimento esterno, come il metallo nel chassis o qualche conduttore esterno (cioè, tramite un loop di terra). Le correnti a modo comune possono anche entrare in un sistema tramite le sue linee di alimentazione, ad esempio, tramite l'uscita da un alimentatore DC commutato o dalla rete AC.

Per affrontare il rumore a modo comune, hai tre opzioni potenziali che puoi utilizzare su una linea differenziale:

1. Utilizza un elemento ad alta impedenza in serie sulla linea, ovvero un filtro a modo comune
2. Utilizza un elemento shunt a bassa impedenza di ritorno al riferimento del sistema (solitamente il telaio o la terra)
3. Modifica il layout per eliminare l'accoppiamento capacitivo

L'immagine sottostante mostra un arrangiamento in cui abbiamo soddisfatto i punti 1 e 2. Il circuito del filtro EMI qui sotto si applica a un ingresso di corrente alternata, o a un ingresso in corrente continua a 2 fili (+V e comune DC) con un filo collegato alla terra che si connette al telaio. Questo circuito contiene due elementi separati: un filtro a modo comune e un filtro passa-basso tramite una coppia di condensatori.

Filtri EMI Attivi

I filtri attivi sono l'analogia transistorizzata dei filtri passivi. Questi filtri utilizzano op-amp e componenti passivi per fornire filtraggio nella banda di frequenza desiderata. Questi filtri possono anche essere costruiti come filtri di ordine superiore per fornire una pendenza di taglio ripida con bande passanti o bande di arresto relativamente piatte. Qualsiasi dei filtri fondamentali equivalenti può essere costruito con op-amp, e questi filtri sono talvolta integrati in SoC o altri IC specializzati per applicazioni particolari. Possono anche essere configurati per sopprimere il rumore in modo comune e differenziale in un unico circuito.

Un esempio potrebbe essere lo schema sopra con il filtro a modo comune e la coppia di condensatori collegati a un op-amp. La funzione di trasferimento dell'amplificatore può quindi essere regolata aggiungendo elementi reattivi al loop di feedback, sebbene si debba fare attenzione alla stabilità di questo tipo di circuito di filtro EMI attivo. Questo ambito del campo della progettazione elettronica è piuttosto ampio ed è trattato in molti testi. Un ottimo testo su questo argomento è Manual of Active Filter Design di John L. Hilburn.

Andando oltre verso le frequenze Microwave e mmWave

I test e la conformità EMI/EMC in questo regime sono più complicati, così come lo sono i dispositivi che vengono progettati e testati. Quando l'EMI da un prodotto in prova è un problema maggiore, o quando l'EMI all'interno di un prodotto è difficile da risolvere, ci sono scelte di progettazione più avanzate da considerare oltre ai punti menzionati sopra. Rivestimenti conformali assorbenti possono aiutare a fornire un'isolamento aggiuntivo, in particolare per l'EMI dai bordi della scheda a frequenze GHz. Strutture di isolamento uniche possono anche contribuire notevolmente a sopprimere l'EMI irradiato tra diversi blocchi di circuito in un prodotto, così come fornire un isolamento aggiuntivo dall'EMI esterno. Le migliori pratiche per il layout/routing RF, il design dello stackup e l'architettura di interconnessione RF unica contribuiranno notevolmente a sopprimere l'emissione e la ricezione di EMI da questi tipi di prodotti.

Indipendentemente dai tipi di filtri EMI, geometria di interconnessione o tecniche di isolamento che utilizzi, dovresti simulare i loro effetti sull'integrità del segnale utilizzando strumenti di simulazione pre-layout e post-layout. Le simulazioni SPICE pre-layout sono ideali per qualificare i progetti dei filtri EMI e assicurare che il tuo filtro fornisca il livello di attenuazione corretto nella banda desiderata.

Quando utilizzare i circuiti di filtro EMI

Un punto importante da considerare è quali azioni intraprendere quando un progetto non supera i test EMC. Ogni volta che un cliente mi ha chiesto di rielaborare uno dei loro progetti a causa del fallimento nei test EMC, la soluzione non richiede sempre circuiti di filtraggio. A volte il problema è un adeguato collegamento a terra sulla scheda e nell'involucro, o la soluzione può coinvolgere la rielaborazione di un circuito specifico in aggiunta all'aggiunta di filtraggio EMI.

1. Inizia con il layout e il collegamento a terra. Ogni volta che mi viene chiesto di risolvere un problema fantasma di EMI che causa il fallimento nei test EMC, il primo posto in cui guardo sono piani di riferimento divisi utilizzati per il routing digitale e commutazione impropria tra piani di riferimento in una scheda multistrato.
2. Se hai fatto tutto correttamente con il collegamento a terra e il routing, e hai ancora qualche problema di EMI, il problema potrebbe richiedere l'aggiunta di un nuovo filtro EMI, o la riprogettazione di un filtro EMI esistente. Per il rumore in modo comune, potresti dover ricalcolare come hai collegato a terra il sistema per prevenire l'accoppiamento di rumore capacitivo nella PCB.
3. I due passaggi sopra menzionati mirano principalmente a contrastare l'EMI condotto che entra o esce da un sistema, così come qualsiasi EMI irradiato prodotto dalle correnti condotte. Se hai utilizzato filtri EMI e implementato le migliori pratiche di layout per la tua scheda, e stai ancora osservando un forte EMI irradiato, allora potresti aver bisogno di adottare misure più aggressive e aggiungere schermature a livello di scheda o di involucro.

Oltre ai punti sopra indicati, la filtrazione EMI potrebbe essere obbligatoria per alcuni sistemi. Due esempi sono nei sistemi di misurazione e controllo di precisione che interfacciano con segnali analogici di basso livello, o in sistemi ad alta potenza che si collegano alla rete. Considera questi punti e le particolari fonti di EMI prima di iniziare ad aggiungere circuiti di filtro a ogni interfaccia nel tuo sistema.

Se scegli di utilizzare progetti di filtri EMI o tattiche più aggressive come la schermatura a livello di scheda nella tua scheda, usa gli strumenti di progettazione in Altium Designer per creare il tuo layout fisico e preparare il tuo progetto per la produzione. Puoi utilizzare l'estensione EDB Exporter per importare il tuo layout nei solutori di campo Ansys e individuare i problemi di EMI nel tuo progetto. Quando sei pronto per inviare il tuo progetto per la fabbricazione e l'assemblaggio, puoi facilmente rilasciare i dati del tuo progetto al tuo produttore con la piattaforma Altium 365.

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