Какие типы фильтров ЭМП лучше всего подходят для прохождения испытаний на ЭМС?

Когда вам необходимо пройти тестирование на ЭМС, а ваш новый продукт страдает от загадочного источника ЭМП, вы, вероятно, начнете рассматривать возможность полного перепроектирования продукта. Ваш стек слоев, компоновка/трассировка и размещение компонентов - хорошие точки для начала, но, возможно, есть еще что-то, что вы можете сделать для подавления конкретных источников ЭМП.

Существует множество различных типов фильтров ЭМП, которые вы можете разместить в своем проекте, и правильный фильтр может помочь подавить ЭМП в различных диапазонах частот. Эти схемы могут быть пассивными или активными и обеспечивать различные уровни подавления в разных полосах пропускания. Лучший выбор фильтра ЭМП для вашего проекта зависит от множества факторов, начиная от места на вашей плате до необходимого уровня ослабления. Кроме того, некоторые фильтры являются относительно широкополосными (например, операционные усилители), в то время как другие схемы могут нацеливаться только на узкие диапазоны частот.

Типы фильтров ЭМП

Все фильтры ЭМП можно классифицировать как пассивные и активные фильтры, где каждый тип построен соответственно из пассивных или активных компонентов. Углубляясь, эти различные типы фильтров нацелены на конкретные типы помех: общего режима или дифференциального режима. Очевидно, что эти схемы могут быть каскадированы для обеспечения фильтрации обоих типов ЭМП. Когда вы пытаетесь исправить проблему с ЭМП, включая случаи после неудачного тестирования на ЭМС, вам может потребоваться реализация нескольких решений, помимо фильтрации.

Давайте рассмотрим общие типы фильтров ЭМП, попадающих в каждую категорию:

Пассивные фильтры ЭМП

Пассивные фильтры ЭМП дифференциального режима

Возможно, самым распространенным пассивным фильтром ЭМП является ферритовый дроссель. Это по сути индуктор с некоторой паразитной емкостью, который обеспечивает низкочастотную фильтрацию до нескольких десятков МГц. Эти компоненты могут обеспечивать фильтрацию помех общего режима или дифференциального режима, проводимых ЭМП. Если вы читаете это на ноутбуке, то ваш сетевой шнур, вероятно, использует один из этих дросселей для устранения высокочастотных помех на входной линии питания. Когда вы смотрите на печатную плату, есть несколько других схем, которые вы можете использовать для фильтрации.

На изображении ниже показана коллекция LC-цепей, используемых в качестве дифференциальных пассивных фильтров ЭМП. Эти фильтрующие цепи являются дифференциальными, поскольку физически у нас будет только одна общая точка для возврата тока. Примером может служить устройство, питаемое от двухпроводного постоянного тока, например, от лабораторного источника питания или батареи. Обратите внимание, что рядом может находиться плавающий или заземленный шасси, но в приведенных ниже схемах оно не участвует непосредственно в проведении тока и имеет идеальную изоляцию от остальной системы.

Простейшими из этих фильтров являются фильтры C (подключенные как шунтирующие конденсаторы) и фильтры L (подключенные как последовательные индуктивности). Их можно разместить в критической цепи или на входе критического компонента для устранения помех в широком диапазоне частот. Более сложные конфигурации показаны на изображении ниже. Что касается фильтров Пи и Т, то они лучше всего используются соответственно с низким и высоким сопротивлением источника/нагрузки.

Если вам нужно передать желаемый сигнал в компонент, подавляя все остальные частоты, то вам необходимо построить полосовой фильтр. Аналогично, вы можете захотеть подавить сильный сигнал на одной частоте (например, случайное излучение от антенны), что потребует использования полосно-заграждающего фильтра. Обратите внимание, что количество элементов L/C в цепи определяет номер фильтра; создание фильтра высшего порядка (т.е. каскадного) обеспечит более крутой спад за пределами полосы пропускания.

Пассивные фильтры ЭМП общего режима

Вышеупомянутые фильтры ЭМП могут быть построены как фильтры общего режима путем добавления дополнительного опорного проводника. Как известно, токи общего режима индуцируются через паразитную емкость к внешней опоре, такой как металл в шасси или какой-либо внешний проводник (т.е. через земляную петлю). Токи общего режима также могут попадать в систему через ее линии питания, например, через выход из импульсного источника питания постоянного тока или от сети переменного тока.

Чтобы справиться с шумом общего режима, у вас есть три возможных варианта, которые вы можете использовать на дифференциальной линии:

1. Используйте элемент с высоким импедансом последовательно в линии, а именно общий дроссель
2. Используйте элемент с низким импедансом шунтирующий обратно к системной земле (обычно к шасси или обратно к земле)
3. Измените компоновку для устранения емкостной связи

На изображении ниже показана схема, где мы удовлетворили пункты 1 и 2. Ниже представлена схема фильтра ЭМП, применяемая к входу переменного тока или к двухпроводному входу постоянного тока (+V и общий провод DC) с заземленным проводом, соединенным с шасси. Эта схема содержит два отдельных элемента: общий дроссель и фильтр нижних частот через пару конденсаторов.

Активные фильтры ЭМП

Активные фильтры - это транзисторный аналог пассивных фильтров. Эти фильтры используют операционные усилители и пассивные элементы для обеспечения фильтрации в желаемой полосе частот. Такие фильтры также могут быть сконструированы как фильтры высших порядков для обеспечения крутого спада с относительно плоскими полосами пропускания или заграждения. Любой из эквивалентных фундаментальных фильтров может быть построен на операционных усилителях, и эти фильтры иногда интегрируются в SoC или другие специализированные ИС для конкретных приложений. Они также могут быть настроены для подавления общемодовых и дифференциальных помех в одной схеме.

Примером может служить вышеупомянутая схема с общим дросселем подавления и парой конденсаторов, подключенных к операционному усилителю. Передаточная функция усилителя может быть затем скорректирована путем добавления реактивных элементов в контур обратной связи, однако следует быть осторожным с стабильностью такого типа активной схемы фильтрации ЭМИ. Эта область в области проектирования электроники достаточно обширна и описана во многих учебниках. Одним из отличных учебников по этой теме является Руководство по проектированию активных фильтров Джона Л. Хилберна.

Дальнейшее изучение до микроволновых и миллиметровых частот

Тестирование и обеспечение соответствия требованиям EMI/EMC в этом режиме является более сложным, как и устройства, которые разрабатываются и тестируются. Когда EMI от испытываемого продукта является серьезной проблемой, или когда EMI внутри продукта трудно решить, существуют более продвинутые варианты проектирования, которые следует рассмотреть помимо упомянутых выше пунктов. Поглощающие конформные покрытия могут помочь обеспечить дополнительную изоляцию, особенно для EMI от края платы на частотах в ГГц. Уникальные структуры изоляции также могут значительно снизить излучаемое EMI между различными блоками схем в продукте, а также обеспечить дополнительную изоляцию от внешнего EMI. Лучшие практики для компоновки/трассировки РЧ, дизайна стека слоев и уникальной архитектуры РЧ соединений значительно помогут снизить излучение и прием EMI от этих типов продуктов.

Независимо от того, какие типы фильтров EMI, геометрию соединений или техники изоляции вы используете, вы должны симулировать их влияние на целостность сигнала, используя инструменты предварительного и постлайаутного моделирования. Предварительное моделирование SPICE идеально подходит для квалификации конструкций фильтров EMI и обеспечения того, чтобы ваш фильтр обеспечивал нужный уровень ослабления в желаемой полосе пропускания.

Когда использовать цепи фильтров EMI

Одним важным аспектом, который следует учитывать, является то, какие действия предпринимать, когда дизайн не проходит тестирование на ЭМС. Когда меня клиент просит доработать один из их проектов из-за неудачного тестирования на ЭМС, решение не всегда требует добавления фильтрующих цепей. Иногда проблема заключается в правильном заземлении на плате и в корпусе, или решение может включать доработку конкретной схемы в дополнение к добавлению ЭМП фильтрации.

1. Начните с разводки и заземления. Когда меня просят исправить скрытую проблему ЭМИ, из-за которой происходит сбой в тестировании на ЭМС, первое, на что я смотрю, это разделенные опорные плоскости, используемые для цифровой разводки, и неправильное переключение между опорными плоскостями в многослойной плате.
2. Если вы все сделали правильно с заземлением и разводкой, и у вас все еще есть проблема с ЭМИ, может потребоваться добавление нового ЭМИ фильтра или переработка существующего ЭМИ фильтра. Для общего режима шума вам может потребоваться пересмотреть, как вы заземлили систему, чтобы предотвратить емкостное шумовое связывание с ПП.
3. Вышеупомянутые два шага в первую очередь направлены на борьбу с проводимыми помехами ЭМИ, входящими в систему или выходящими из нее, а также с любыми излучаемыми помехами ЭМИ, производимыми проводимыми токами. Если вы использовали фильтры ЭМИ и применяли лучшие практики размещения для вашей платы, но все еще наблюдаете сильные излучаемые помехи ЭМИ, тогда вам, возможно, потребуется принять более решительные меры и добавить защиту на уровне платы или корпуса.

Помимо вышеуказанных моментов, фильтрация ЭМИ может быть обязательной для некоторых систем. Два примера - это системы точного измерения и управления, которые взаимодействуют с низкоуровневыми аналоговыми сигналами, или системы высокой мощности, подключаемые к сети. Учитывайте эти моменты и конкретные источники ЭМИ, прежде чем начать добавлять фильтрующие цепи ко всем интерфейсам в вашей системе.

Если вы решите использовать конструкции фильтров ЭМИ или более агрессивные методы, такие как защита на уровне платы, используйте инструменты проектирования в Altium Designer® для создания вашей физической компоновки и подготовки вашего проекта к производству. Вы можете использовать расширение EDB Exporter для импорта вашей компоновки в решатели поля Ansys и точного определения проблем ЭМИ в вашем проекте. Когда вы будете готовы отправить ваш проект на изготовление и сборку, вы можете легко передать данные вашего проекта вашему производителю с помощью платформы Altium 365™.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.