Quais Tipos de Filtros EMI são Melhores para Passar nos Testes de EMC?

Quando você precisa passar nos testes de EMC e seu novo produto está sendo prejudicado por uma fonte misteriosa de EMI, provavelmente começará a considerar um redesenho completo do produto. Sua pilha de camadas, layout/roteamento e colocação de componentes são bons pontos de partida, mas pode haver mais que você pode fazer para suprimir fontes específicas de EMI.

Existem muitos tipos diferentes de filtros de EMI que você pode colocar em seu design, e o filtro certo pode ajudar a suprimir EMI em uma variedade de faixas de frequência. Esses circuitos podem ser da variedade passiva ou ativa e fornecer diferentes níveis de supressão em diferentes larguras de banda. A melhor escolha de filtro de EMI para o seu design depende de uma variedade de fatores, que vão desde o espaço disponível em sua placa até a atenuação necessária. Além disso, alguns filtros são relativamente de banda larga (por exemplo, op-amps), enquanto outros circuitos só podem mirar em faixas de frequência estreitas.

Tipos de Filtros de EMI

Todos os filtros EMI podem ser classificados como filtros passivos e ativos, onde cada tipo é construído com componentes passivos ou ativos, respectivamente. Indo mais a fundo, esses diferentes tipos de filtros visam tipos específicos de ruído: modo comum ou modo diferencial. Obviamente, esses circuitos podem ser cascateados para fornecer filtragem de ambos os tipos de EMI. Quando você está tentando corrigir um problema de EMI, incluindo após falhas em testes de EMC, você pode precisar implementar múltiplas soluções além da filtragem.

Vamos passar pelos tipos comuns de filtros EMI que se enquadram em cada categoria:

Filtros EMI Passivos

Filtros EMI Passivos de Modo Diferencial

Talvez o filtro EMI passivo mais comum seja um indutor de ferrite. Basicamente, é um indutor com alguma capacitância parasita que fornece filtragem de passa-baixa até várias dezenas de MHz. Esses componentes podem fornecer filtragem de EMI conduzido em modo comum ou diferencial. Se você está lendo isso em um laptop, então o cabo de alimentação provavelmente usa um desses indutores para remover o ruído de alta frequência na linha de entrada de energia. Quando você olha para a PCB, existem vários outros circuitos que você pode usar para fornecer filtragem.

A imagem abaixo mostra uma coleção de circuitos LC usados como filtros passivos EMI de modo diferencial. Esses circuitos de filtro são de modo diferencial porque, fisicamente, teríamos apenas uma única referência para o caminho de retorno. Um exemplo aqui seria um dispositivo alimentado com tensão DC de 2 fios, como com uma fonte de alimentação de bancada ou uma bateria. Note que pode haver um chassis flutuante ou aterrado por perto, mas nos circuitos abaixo, ele não participa diretamente na condução de corrente e tem isolamento perfeito do resto do sistema.

Os filtros mais simples entre estes são os filtros C (conectados como capacitores em derivação) e os filtros L (conectados como indutores em série). Estes podem ser colocados em um circuito crítico ou na entrada de um componente crítico para remover ruídos em uma ampla gama de frequências. Configurações mais complexas são mostradas na imagem abaixo. Quanto aos filtros Pi e T, estes são melhores utilizados com impedâncias de fonte/carga baixas e altas, respectivamente.

Se você precisa passar o sinal desejado para um componente enquanto suprime todas as outras frequências, então você precisa construir um filtro passa-banda. Da mesma forma, você pode querer suprimir um sinal forte em uma única frequência (como uma emissão espúria de uma antena), o que exigiria um filtro rejeita-faixa. Note que o número de elementos L/C no circuito determina o número do filtro; construir um filtro de ordem mais alta (ou seja, em cascata) proporcionará uma atenuação mais acentuada fora da banda passante.

Filtros EMI Passivos de Modo Comum

A lista acima de filtros EMI pode ser construída como filtros de modo comum, introduzindo um condutor de referência adicional. Como é bem conhecido, correntes de modo comum são induzidas via capacitância parasita para uma referência externa, como metal no chassis ou algum condutor externo (ou seja, através de um loop de terra). Correntes de modo comum também podem entrar em um sistema através de suas linhas de energia, por exemplo, através da saída de uma fonte de alimentação DC chaveada ou da rede AC.

Para lidar com o ruído de modo comum, você tem três opções potenciais que pode usar em uma linha diferencial:

1. Use um elemento de alta impedância em série na linha, ou seja, um filtro de modo comum
2. Use um elemento de baixa impedância em paralelo de volta à referência do sistema (geralmente chassis ou de volta à terra)
3. Modifique o layout para eliminar o acoplamento capacitivo

A imagem abaixo mostra um arranjo onde satisfizemos os pontos 1 e 2. O circuito do filtro EMI abaixo se aplica a uma entrada de CA principal, ou a uma entrada de CC de 2 fios (+V e comum de CC) com um fio aterrado conectando ao chassis. Este circuito contém dois elementos separados: um filtro de modo comum e um filtro passa-baixa por meio de um par de capacitores.

Filtros EMI Ativos

Filtros ativos são o análogo transistorizado dos filtros passivos. Esses filtros usam op-amps e passivos para fornecer filtragem na largura de banda desejada. Esses filtros também podem ser construídos como filtros de ordem superior para fornecer uma atenuação acentuada com bandas de passagem ou de rejeição relativamente planas. Qualquer um dos filtros fundamentais equivalentes pode ser construído com op-amps, e esses filtros às vezes são integrados em SoCs ou outros ICs especializados para aplicações específicas. Eles também podem ser configurados para suprimir ruídos de modo comum e diferencial em um único circuito.

Um exemplo seria o esquemático acima com o filtro de modo comum e um par de capacitores conectados a um amplificador operacional. A função de transferência do amplificador pode então ser ajustada adicionando elementos reativos ao loop de feedback, embora seja necessário ter cuidado com a estabilidade deste tipo de circuito de filtro EMI ativo. Esta área do campo do design eletrônico é bastante ampla e é abordada em muitos livros didáticos. Um ótimo livro sobre este assunto é Manual of Active Filter Design de John L. Hilburn.

Avançando para Frequências de Micro-ondas e mmOnda

Os testes e a conformidade com EMI/EMC neste regime são mais complicados, assim como os dispositivos que estão sendo projetados e testados. Quando a EMI de um produto em teste é um grande problema, ou quando a EMI dentro de um produto é difícil de resolver, existem escolhas de design mais avançadas a considerar além dos pontos mencionados acima. Revestimentos conformais absorventes podem ajudar a fornecer isolamento adicional, particularmente para EMI proveniente da borda da placa em frequências de GHz. Estruturas de isolamento únicas também podem contribuir significativamente para suprimir a EMI radiada entre diferentes blocos de circuito em um produto, bem como fornecer isolamento adicional contra EMI externo. As melhores práticas para layout/routeamento de RF, design de empilhamento e arquitetura de interconexão RF única avançarão muito na supressão de emissão e recepção de EMI desses tipos de produtos.

Não importa quais tipos de filtros de EMI, geometria de interconexão ou técnicas de isolamento você use, você deve simular seus efeitos na integridade do sinal usando ferramentas de simulação pré-layout e pós-layout. Simulações SPICE pré-layout são ideais para qualificar designs de filtros de EMI e garantir que seu filtro forneça o nível certo de atenuação dentro da largura de banda desejada.

Quando Usar Circuitos de Filtro de EMI

Um ponto importante que deve ser considerado é quais ações tomar quando um projeto não passa nos testes de EMC. Sempre que um cliente me pede para retrabalhar um de seus projetos devido à falha nos testes de EMC, a solução nem sempre requer circuitos de filtragem. Às vezes, o problema é o aterramento adequado na placa e no invólucro, ou a solução pode envolver retrabalhar um circuito específico além de adicionar filtragem EMI.

1. Comece com o layout e o aterramento. Sempre que me pedem para corrigir um problema fantasma de EMI que causa falha nos testes de EMC, o primeiro lugar que olho são planos de referência divididos usados para roteamento digital e troca imprópria entre planos de referência em uma placa multicamadas.
2. Se você fez tudo corretamente com o aterramento e o roteamento, e ainda assim tem algum problema de EMI, o problema pode requerer a adição de um novo filtro EMI, ou o redesenho de um filtro EMI existente. Para ruído de modo comum, você pode precisar reconsiderar como você aterrou o sistema para evitar o acoplamento de ruído capacitivo na PCB.
3. As duas etapas acima visam principalmente o EMI conduzido que entra ou sai de um sistema, bem como qualquer EMI irradiado produzido por correntes conduzidas. Se você usou filtros de EMI e implementou as melhores práticas de layout para sua placa, e ainda está observando um forte EMI irradiado, então você pode precisar ser mais agressivo e adicionar blindagem no nível da placa ou do invólucro.

Além dos pontos acima, a filtragem de EMI pode ser obrigatória para alguns sistemas. Dois exemplos estão em sistemas de medição e controle de precisão que interagem com sinais analógicos de baixo nível, ou em sistemas de alta potência que se conectam à rede. Considere esses pontos e as fontes de EMI particulares antes de começar a adicionar circuitos de filtro a cada interface em seu sistema.

Se você optar por usar projetos de filtro de EMI ou táticas mais agressivas como blindagem no nível da placa em sua placa, use as ferramentas de design em Altium Designer® para criar seu layout físico e preparar seu design para a fabricação. Você pode usar a extensão EDB Exporter para importar seu layout para os solucionadores de campo da Ansys e identificar problemas de EMI em seu design. Quando estiver pronto para enviar seu design para fabricação e montagem, você pode facilmente liberar seus dados de design para seu fabricante com a plataforma Altium 365™.

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