Jakie rodzaje filtrów EMI są najlepsze do zdania testów EMC?

Kiedy musisz przejść testy EMC, a Twój nowy produkt jest ograniczany przez tajemnicze źródło EMI, prawdopodobnie zaczniesz rozważać całkowite przeprojektowanie produktu. Twoje układanie warstw, rozmieszczenie/trasowanie oraz umiejscowienie komponentów to dobre punkty startowe, ale może być więcej, co możesz zrobić, aby stłumić konkretne źródła EMI.

Istnieje wiele różnych typów filtrów EMI, które możesz umieścić w swoim projekcie, i odpowiedni filtr może pomóc w tłumieniu EMI w różnych zakresach częstotliwości. Te obwody mogą być pasywne lub aktywne i zapewniać różne poziomy tłumienia w różnych pasmach. Najlepszy wybór filtra EMI dla Twojego projektu zależy od różnych czynników, począwszy od przestrzeni na płytce po wymaganą tłumienność. Ponadto, niektóre filtry są stosunkowo szerokopasmowe (np. wzmacniacze operacyjne), podczas gdy inne obwody mogą być ukierunkowane tylko na wąskie zakresy częstotliwości.

Typy filtrów EMI

Wszystkie filtry EMI można zaklasyfikować jako filtry pasywne i aktywne, gdzie każdy typ jest konstruowany odpowiednio z komponentów pasywnych lub aktywnych. Idąc głębiej, te różne typy filtrów celują w specyficzne typy zakłóceń: albo wspólne (common-mode) lub różnicowe (differential-mode). Oczywiście, te obwody mogą być kaskadowane, aby zapewnić filtrację obu typów EMI. Kiedy próbujesz naprawić problem z EMI, w tym po nieudanych testach EMC, możesz potrzebować zaimplementować wiele rozwiązań poza filtracją.

Przejdźmy przez wspólne typy filtrów EMI należące do każdej kategorii:

Filtry EMI pasywne

Pasywne filtry EMI różnicowe

Być może najbardziej powszechnym pasywnym filtrem EMI jest dławik ferrytowy. Jest to w zasadzie cewka z pewną pojemnością pasożytniczą, która zapewnia filtrację dolnoprzepustową do kilkudziesięciu MHz. Te komponenty mogą zapewniać filtrację EMI prowadzonego wspólnego lub różnicowego. Jeśli czytasz to na laptopie, to Twój kabel zasilający prawdopodobnie używa jednego z tych dławików do usuwania wysokoczęstotliwościowych zakłóceń na linii zasilającej. Kiedy spojrzysz na PCB, istnieje kilka innych obwodów, które możesz użyć do zapewnienia filtracji.

Poniższy obraz przedstawia zbiór obwodów LC używanych jako różnicowe, pasywne filtry EMI. Te obwody filtrujące są obwodami różnicowymi, ponieważ fizycznie mielibyśmy tylko pojedyncze odniesienie dla ścieżki powrotnej. Przykładem tutaj może być urządzenie zasilane napięciem stałym z dwoma przewodami, takie jak z zasilacza laboratoryjnego lub baterii. Należy zauważyć, że w pobliżu może znajdować się obudowa unosząca się lub uziemiona, ale w poniższych obwodach nie uczestniczy ona bezpośrednio w przewodzeniu prądu i jest doskonale izolowana od reszty systemu.

Najprostszymi z tych filtrów są filtry C (podłączone jako kondensatory szuntowe) i filtry L (podłączone jako cewki szeregowe). Mogą być one umieszczone w krytycznym obwodzie lub na wejściu krytycznego komponentu w celu usunięcia zakłóceń w szerokim zakresie częstotliwości. Bardziej złożone konfiguracje są pokazane na poniższym obrazie. Jeśli chodzi o filtry Pi i T, najlepiej używać ich odpowiednio przy niskich i wysokich impedancjach źródła/obciążenia.

Jeśli potrzebujesz przepuścić pożądany sygnał do komponentu, tłumiąc jednocześnie wszystkie inne częstotliwości, musisz zbudować filtr pasmowoprzepustowy. Podobnie, możesz chcieć stłumić silny sygnał na pojedynczej częstotliwości (takiej jak przypadkowe emisje z anteny), co wymagałoby użycia filtra pasmowozaporowego. Należy zauważyć, że liczba elementów L/C w obwodzie określa numer filtra; budowanie filtra wyższego rzędu (tj. kaskadowego) zapewni stromsze zbocze poza pasmem przepustowym.

Filtry EMI pasywne typu common-mode

Powyższą listę filtrów EMI można zbudować jako filtry typu common-mode, wprowadzając dodatkowy przewód odniesienia. Jak dobrze wiadomo, prądy typu common-mode są indukowane przez pojemności pasożytnicze do zewnętrznego odniesienia, takiego jak metal w obudowie lub jakiś zewnętrzny przewodnik (np. przez pętlę uziemienia). Prądy typu common-mode mogą również wniknąć do systemu przez jego linie zasilające, np. przez wyjście z impulsowego zasilacza DC lub z sieci AC.

Aby poradzić sobie z szumem typu common-mode, masz trzy potencjalne opcje, które możesz wykorzystać na linii różnicowej:

1. Użyj elementu o wysokiej impedancji szeregowo na linii, a mianowicie dławika trybu wspólnego
2. Użyj elementu o niskiej impedancji równolegle do odniesienia systemowego (zazwyczaj do obudowy lub z powrotem do ziemi)
3. Zmodyfikuj układ, aby wyeliminować sprzężenie pojemnościowe

Poniższy obraz przedstawia układ, w którym spełnione są punkty 1 i 2. Poniższy obwód filtru EMI dotyczy wejścia sieci AC lub wejścia DC z dwoma przewodami (+V i wspólny dla DC) z przewodem uziemiającym połączonym z obudową. Ten obwód zawiera dwa oddzielne elementy: dławik trybu wspólnego i filtr dolnoprzepustowy za pomocą pary kondensatorów.

Aktywne filtry EMI

Aktywne filtry to tranzystorowa analogia filtrów pasywnych. Te filtry używają wzmacniaczy operacyjnych i elementów pasywnych do zapewnienia filtracji w pożądanym paśmie. Mogą być również konstruowane jako filtry wyższego rzędu, aby zapewnić strome nachylenie charakterystyki z relatywnie płaskimi pasmami przepustowymi lub zaporowymi. Każdy z równoważnych podstawowych filtrów może być zbudowany z użyciem wzmacniaczy operacyjnych, a te filtry czasami są integrowane z SoC lub innymi specjalistycznymi układami scalonymi dla konkretnych zastosowań. Mogą być również konfigurowane do tłumienia szumów trybu wspólnego i różnicowego w jednym obwodzie.

Przykładem może być powyższy schemat z dławikiem trybu wspólnego i parą kondensatorów podłączonych do wzmacniacza operacyjnego. Funkcję przejścia wzmacniacza można następnie dostosować, dodając elementy reaktywne do pętli sprzężenia zwrotnego, chociaż należy uważać na stabilność tego typu aktywnego obwodu filtrującego EMI. Ta dziedzina projektowania elektroniki jest dość szeroka i omówiona w wielu podręcznikach. Jednym z doskonałych podręczników na ten temat jest Podręcznik projektowania aktywnych filtrów autorstwa Johna L. Hilburna.

Idąc dalej do częstotliwości mikrofalowych i mmWave

Testowanie i zgodność z normami EMI/EMC w tym reżimie są bardziej skomplikowane, podobnie jak urządzenia, które są projektowane i testowane. Gdy EMI z testowanego produktu stanowi poważny problem, lub gdy trudno jest rozwiązać problem EMI wewnątrz produktu, należy rozważyć bardziej zaawansowane opcje projektowe, poza wspomnianymi wyżej punktami. Chłonne powłoki konformalne mogą pomóc zapewnić dodatkową izolację, szczególnie dla EMI z krawędzi płytki przy częstotliwościach GHz. Unikalne struktury izolacyjne mogą również znacznie przyczynić się do tłumienia promieniowanego EMI między różnymi blokami obwodów w produkcie, jak również zapewnić dodatkową izolację od zewnętrznego EMI. Najlepsze praktyki dotyczące układu/rutowania RF, projektowania stosu warstw oraz unikalnej architektury połączeń RF znacznie przyczynią się do tłumienia emisji i odbioru EMI z tego typu produktów.

Bez względu na to, które typy filtrów EMI, geometrię połączeń czy techniki izolacji wybierzesz, powinieneś symulować ich wpływ na integralność sygnału, używając narzędzi do symulacji przed i po układzie. Symulacje SPICE przed układem są idealne do kwalifikowania projektów filtrów EMI i zapewnienia, że Twój filtr zapewnia odpowiedni poziom tłumienia w pożądanym paśmie.

Kiedy używać obwodów filtrów EMI

Jednym ważnym punktem, który należy wziąć pod uwagę, jest to, jakie działania podjąć, gdy projekt nie przechodzi testów EMC. Za każdym razem, gdy klient prosił mnie o przerobienie jednego z ich projektów z powodu niezaliczonych testów EMC, rozwiązanie nie zawsze wymaga dodawania obwodów filtrujących. Czasami problemem jest odpowiednie uziemienie na płytce i w obudowie, lub rozwiązanie może polegać na przeróbce konkretnego obwodu w dodatku do dodania filtracji EMI.

1. Zacznij od układu i uziemienia. Kiedykolwiek zostaję poproszony o naprawienie problemu z fantomowym EMI, który powoduje niepowodzenie w testach EMC, pierwsze miejsce, na które patrzę, to podzielone płaszczyzny odniesienia używane do cyfrowego trasowania i nieprawidłowe przełączanie między płaszczyznami odniesienia na wielowarstwowej płytce.
2. Jeśli zrobiłeś wszystko poprawnie w kwestii uziemienia i trasowania, a nadal masz jakiś problem z EMI, problem może wymagać dodania nowego filtra EMI lub przeprojektowania istniejącego filtra EMI. W przypadku szumów wspólnych, możesz potrzebować przemyśleć sposób, w jaki uziemiłeś system, aby zapobiec pojemnościowemu sprzężeniu szumów do PCB.
3. Dwa powyższe kroki mają na celu głównie zwalczanie EMI przewodzonego, wchodzącego lub opuszczającego system, jak również wszelkie promieniowane EMI generowane przez prądy przewodzone. Jeśli użyłeś filtrów EMI i zaimplementowałeś najlepsze praktyki układania płyty, a nadal obserwujesz silne promieniowanie EMI, być może będziesz musiał zastosować bardziej agresywne metody i dodać osłonę na poziomie płyty lub obudowy.

Poza wymienionymi punktami, filtracja EMI może być obowiązkowa dla niektórych systemów. Dwa przykłady to systemy precyzyjnych pomiarów i kontroli, które łączą się z sygnałami analogowymi o niskim poziomie, lub systemy wysokiej mocy łączące się z siecią. Rozważ te punkty i szczególne źródła EMI, zanim zaczniesz dodawać obwody filtrujące do każdego interfejsu w swoim systemie.

Jeśli zdecydujesz się użyć projektów filtrów EMI lub bardziej agresywnych taktyk, takich jak osłony na poziomie płyty w swojej płycie, użyj narzędzi projektowych w Altium Designer®, aby stworzyć swój układ fizyczny i przygotować projekt do produkcji. Możesz użyć rozszerzenia EDB Exporter, aby zaimportować swój układ do solverów polowych Ansys i zlokalizować problemy z EMI w swoim projekcie. Kiedy będziesz gotowy, aby wysłać swój projekt do produkcji i montażu, możesz łatwo udostępnić dane swojego projektu producentowi za pomocą platformy Altium 365™.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.