Tłumienie szumów i EMI w Twojej płytce PCB dzięki odpowiedniemu projektowi filtrów analogowych

Branża elektroniczna nieustannie dąży do umieszczania coraz większej liczby funkcji na mniejszych PCB, a urządzenia są uruchamiane przy niższym poborze mocy i na wyższych częstotliwościach. Tłumienie zakłóceń staje się jeszcze ważniejsze, gdy częstotliwości pracy rosną, a poziomy sygnałów spadają, co staje się bardziej zarządzalne dzięki zastosowaniu filtru EMI do tłumienia zakłóceń w projektowaniu PCB. Dodanie filtracji do projektów PCB może poprawić integralność sygnału w środowiskach podatnych na EMI z dużymi rozproszonymi polami magnetycznymi oraz w aplikacjach RF o niskiej mocy.

Standardy branżowe nawet wymagają, aby urządzenie zawierało funkcje tłumienia zakłóceń, filtr EMI i filtr EMC. Aby spełnić standardy emisji przewodzonej, zakłócenia EMI muszą być tłumione na częstotliwościach od 150 kHz do 30 MHz. Niektóre produkty mają bardziej rygorystyczne standardy, a dolne granice zaczynają się od 9 kHz. Aplikacje IoT wymagają filtrowania tętnień na poziomie 1 MHz, aby utrzymać integralność danych i sygnału.

Aktywne vs. Pasywne Filtry

Jedno z moich pierwszych projektów PCB wymagało zbudowania urządzenia do mierzenia zewnętrznych sygnałów o niskiej częstotliwości. Moje pierwsze podejście zakończyło się bałaganem danych, gdy spodziewałem się, że moje pomiary będą dość spójne. Wkrótce znalazłem winowajcę: mój niskiej jakości zasilacz dostarczał napięcie z znacznymi zakłóceniami. Zamiast inwestować w dużą aktualizację zasilacza, udało mi się rozwiązać ten problem, projektując bezpośrednio na mojej Drukowanej Płycie Drukowanej filtr przeciwzakłóceniowy EMI.

Nawet jeśli zastosowałeś wszystkie najlepsze techniki projektowania dla tłumienia zakłóceń i redukcji EMI, Twój projekt może nadal być podatny na zakłócenia. Aby dalej poprawić integralność sygnału, można użyć aktywnych i pasywnych metod filtracji, aby zmniejszyć zarówno filtr EMI, jak i EMC. Zanim wybierzesz, które filtry zostaną użyte na Twojej Drukowanej Płycie Drukowanej, zawsze testuj swoje projekty filtrów i upewnij się, że filtr spełnia odpowiednie standardy redukcji zakłóceń i Interferencji Elektromagnetycznych dla PCB.

Pasywne filtry wykorzystują impedancję standardowych komponentów elektronicznych do zapobiegania zakłóceniom w obwodach na określonych częstotliwościach. Aktywne filtry łączą komponenty filtracji pasywnej z komponentami zasilanymi, takimi jak wzmacniacze czy tranzystory. Filtry aktywne mogą być również pakowane jako urządzenie montowane powierzchniowo o małym rozmiarze.

Zanim stworzysz projekt filtra PCB EMI lub tłumienia zakłóceń, musisz wiedzieć coś o pasmach częstotliwości, które próbujesz odfiltrować z sygnałów.

PCB zaprojektowane dla aplikacji mikrofalowych

Prostym przykładem aktywnego filtra jest aktywny filtr dolnoprzepustowy pierwszego rzędu. Filtr dolnoprzepustowy RC może być połączony z nieodwracającym wzmacniaczem operacyjnym. Ta topologia jest również stosowana w filtrach pasmowoprzepustowych lub górnoprzepustowych. Filtry aktywne drugiego rzędu mają bardziej skomplikowaną konstrukcję. Filtry trzeciego i wyższych rzędów łatwo konstruuje się, łącząc szeregowo wiele filtrów pierwszego i drugiego rzędu, a te filtry zapewniają stromsze zbocza przepustowości na krawędziach pasma filtrującego.

Główną zaletą stosowania filtra aktywnego jest możliwość wzmocnienia, jakie może on zapewnić. Wzmocnienie można zastosować, dołączając rezystory sprzężenia zwrotnego i oporniki pulldown do wejścia odwracającego.

Małe wymiary układów scalonych wzmacniaczy operacyjnych pozwalają na umieszczenie potężnych filtrów na układzie PCB, pozostawiając dużo wolnej przestrzeni na inne komponenty. Wadą filtrów aktywnych jest to, że wzmacniacze operacyjne mają wysokie tłumienie na wysokich częstotliwościach, a filtry aktywne mogą być stosowane tylko w aplikacjach niskoczęstotliwościowych.

Pasywne Filtry Mikropaskowe

Ścieżki mikropaskowe mogą być używane do budowy pasywnych filtrów, które są bezpośrednio wbudowane w PCB. Częstotliwość środkowa i szerokość pasma mogą być dostosowane na podstawie geometrii mikropaska. Te filtry są łatwe w produkcji, ale mają tendencję do zajmowania większej powierzchni niż inne pasywne filtry.

Analizowanie tych filtrów jest również dość proste, ponieważ ich geometria pozwala na modelowanie ich jako obwodu cewek i kondensatorów. Jeśli analiza obwodów przychodzi Ci naturalnie, wtedy te filtry można szybko zredukować do równoważnego obwodu i można samodzielnie wydedukować wzory na właściwości filtrujące.

Różne geometrie i układy mikropasków będą funkcjonować jako filtry pasmowoprzepustowe, dolnoprzepustowe lub górnoprzepustowe. Prawdziwe filtry górnoprzepustowe są niezwykle trudne do wytworzenia przy użyciu rozproszonych elementów mikropaskowych. Jednym ze sposobów utworzenia filtra górnoprzepustowego jest użycie projektu pasmowoprzepustowego z bardzo szerokim pasmem i wysoką częstotliwością odcięcia. Filtry, które wydają się mieć topologię górnoprzepustową, okazują się być filtrami pasmowoprzepustowymi, gdy analizuje się ich zachowanie przy wysokich częstotliwościach.

Filtry zasilaczy

Zasilacze prądu stałego zwykle przekształcają prąd przemienny na stały za pomocą obwodu prostowniczego z kondensatorem wygładzającym. Wyjście zasilacza może zawierać pewne resztkowe napięcie tętnień, nawet jeśli zasilacz zawiera wbudowane filtry. Resztkowe napięcie tętnień można stłumić, projektując prosty pasywny filtr zasilacza.

Regulatory liniowe mogą tłumić większość niskoczęstotliwościowych napięć tętnień z zasilacza, ale tracą skuteczność dla składowych szumów powyżej około 10 kHz. Składowe o wyższej częstotliwości, w zakresie 100 kHz, mogą być tłumione za pomocą filtra LC. Filtracja jeszcze wyższych składowych częstotliwości, w zakresie MHz, może być osiągnięta poprzez umieszczenie kondensatorów omijających wśród układów scalonych.

Zachowanie odpowiednich wymagań napięciowych pomoże Ci zarządzać zintegrowanym filtrem EMI

Filtrowanie tętnień napięcia i jego wyższych harmonicznych do 1 MHz staje się ważne w urządzeniach IoT. Podczas transmisji danych w urządzeniach IoT, dane są wysyłane do modułu bazowego, który koduje dane na sygnał 1 MHz. Ten sygnał 1 MHz zostanie zmieszany z sygnałem nośnym w module nadajnika RF. Usuwanie tętnień napięcia i szumów do częstotliwości MHz utrzymuje integralność sygnału i danych podczas transmisji bezprzewodowej.

Oprogramowanie do projektowania PCB takie jak Altium Designer^® ułatwia dodanie możliwości tłumienia szumów do Twojego urządzenia. Ich obszerne biblioteki komponentów oraz interfejs projektowania oparty na regułach sprawiają, że projektowanie filtrów to pestka. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.

Zobacz Altium w akcji...

Mocne projektowanie PCB