Loại Bộ Lọc EMI Nào Tốt Nhất để Vượt Qua Kiểm Tra EMC?

Khi bạn cần vượt qua bài kiểm tra EMC và sản phẩm mới của mình bị ảnh hưởng bởi một nguồn gây nhiễu EMI bí ẩn, có lẽ bạn sẽ bắt đầu xem xét việc thiết kế lại toàn bộ sản phẩm. Cấu trúc xếp chồng, bố trí/mạch và vị trí đặt linh kiện là những điểm tốt để bắt đầu, nhưng có thể bạn còn có thể làm nhiều hơn nữa để giảm thiểu các nguồn gây nhiễu EMI cụ thể. Có nhiều loại bộ lọc EMI khác nhau mà bạn có thể đặt trong thiết kế của mình, và bộ lọc phù hợp có thể giúp giảm nhiễu EMI trong một loạt các dải tần số. Những mạch này có thể là loại bị động hoặc chủ động và cung cấp các mức độ giảm nhiễu khác nhau ở các băng thông khác nhau. Sự lựa chọn bộ lọc EMI tốt nhất cho thiết kế của bạn phụ thuộc vào nhiều yếu tố, từ không gian trên bo mạch của bạn đến mức độ suy giảm cần thiết. Ngoài ra, một số bộ lọc có băng thông tương đối rộng (ví dụ, op-amps), trong khi các mạch khác chỉ có thể nhắm vào các dải tần số hẹp. Các Loại Bộ Lọc EMITất cả các bộ lọc EMI có thể được phân loại thành bộ lọc bị động và bộ lọc chủ động, nơi mỗi loại được xây dựng với các thành phần bị động hoặc chủ động tương ứng. Đi sâu hơn, các loại bộ lọc khác nhau này nhắm vào các loại nhiễu cụ thể: hoặc là chế độ chung hoặc chế độ khác biệt. Rõ ràng, các mạch này có thể được kết nối tiếp tục để cung cấp bộ lọc cho cả hai loại EMI. Khi bạn đang cố gắng khắc phục một vấn đề EMI, bao gồm cả sau khi thất bại trong kiểm tra EMC, bạn có thể cần phải thực hiện nhiều giải pháp hơn ngoài việc lọc.

Hãy xem qua các loại bộ lọc EMI phổ biến rơi vào từng danh mục:

Bộ lọc EMI bị động

Bộ lọc EMI bị động chế độ khác biệt

Có lẽ loại bộ lọc EMI bị động phổ biến nhất là cuộn cảm ferrite. Đây cơ bản là một cuộn cảm với một số dung kháng nhiễu phụ trợ cung cấp lọc thông thấp lên đến vài chục MHz. Các thành phần này có thể cung cấp lọc nhiễu chế độ chung hoặc chế độ khác biệt được dẫn truyền. Nếu bạn đang đọc điều này trên một chiếc laptop, thì dây nguồn của bạn có lẽ sử dụng một trong những cuộn cảm này để loại bỏ nhiễu tần số cao trên dòng điện vào. Khi bạn nhìn vào PCB, có một số mạch khác bạn có thể sử dụng để cung cấp lọc.

Hình dưới đây cho thấy một bộ sưu tập các mạch LC được sử dụng như bộ lọc EMI chế độ sai khác thụ động. Các mạch lọc này là mạch chế độ sai khác vì về mặt vật lý, chúng ta chỉ có một tín hiệu tham chiếu duy nhất cho đường trở về. Ví dụ ở đây có thể là một thiết bị được cấp điện bằng điện áp DC 2 dây, như sử dụng một nguồn PSU trên bàn làm việc hoặc một ắc quy. Lưu ý rằng có thể có một khung máy nổi hoặc nối đất ở gần, nhưng trong các mạch dưới đây, nó không trực tiếp tham gia dẫn dòng điện và có sự cách ly hoàn hảo với phần còn lại của hệ thống.

Bộ lọc đơn giản nhất trong số này là bộ lọc C (được kết nối như tụ điện shunt) và bộ lọc L (được kết nối như cuộn cảm nối tiếp). Chúng có thể được đặt trong một mạch quan trọng hoặc trên đầu vào của một thành phần quan trọng để loại bỏ nhiễu ở một phạm vi rộng các tần số. Các cấu hình phức tạp hơn được hiển thị trong hình dưới đây. Về bộ lọc Pi và T, chúng được sử dụng tốt nhất với trở kháng nguồn/tải thấp và cao, tương ứng.

Nếu bạn cần truyền tín hiệu mong muốn vào một linh kiện trong khi loại bỏ tất cả các tần số khác, thì bạn cần xây dựng một bộ lọc thông băng. Tương tự, bạn có thể muốn loại bỏ một tín hiệu mạnh ở một tần số duy nhất (chẳng hạn như tín hiệu phát ra lạc từ một ăng-ten), điều này sẽ yêu cầu một bộ lọc chặn băng. Lưu ý rằng số lượng các phần tử L/C trong mạch xác định số lượng bộ lọc; xây dựng một bộ lọc cấp cao hơn (tức là, bộ lọc nối tiếp) sẽ cung cấp độ dốc lọc ngoài băng thông chặt chẽ hơn.

Bộ Lọc EMI Chế Độ Chung Thụ Động

Danh sách các bộ lọc EMI ở trên có thể được xây dựng như bộ lọc chế độ chung bằng cách thêm vào một dẫn tham chiếu bổ sung. Như đã biết, dòng chế độ chung được kích thích qua dung kháng nhiễu với một tham chiếu bên ngoài, chẳng hạn như kim loại trong khung máy hoặc một dẫn ngoại vi (tức là, qua một vòng mát đất). Dòng chế độ chung cũng có thể nhập vào hệ thống qua đường dây điện của nó, ví dụ, qua đầu ra từ một nguồn cung cấp điện DC chuyển đổi hoặc từ nguồn điện AC chính.

Để xử lý nhiễu chế độ chung, bạn có ba lựa chọn tiềm năng mà bạn có thể sử dụng trên một đường dây khác biệt:

1. Sử dụng một phần tử có trở kháng cao nối tiếp trên đường dây, cụ thể là một cuộn cảm chế độ chung
2. Sử dụng một phần tử shunt có trở kháng thấp trở lại với điểm tham chiếu của hệ thống (thường là khung máy hoặc trở lại với mặt đất)
3. Chỉnh sửa bố cục để loại bỏ sự ghép nối điện dung

Hình dưới đây cho thấy một sắp xếp nơi chúng tôi đã thỏa mãn các điểm 1 và 2. Mạch lọc EMI dưới đây áp dụng cho đầu vào AC chính, hoặc cho đầu vào DC 2 dây (+V và DC chung) với một dây nối đất kết nối với khung máy. Mạch này chứa hai phần tử riêng biệt: một cuộn cảm chế độ chung và một bộ lọc thông thấp qua một cặp tụ điện.

Bộ Lọc EMI Hoạt Động

Bộ lọc hoạt động là phiên bản transistor của bộ lọc bị động. Những bộ lọc này sử dụng op-amps và các linh kiện bị động để cung cấp sự lọc trong băng thông mong muốn. Những bộ lọc này cũng có thể được xây dựng như các bộ lọc cấp cao hơn để cung cấp độ dốc lọc dốc với các băng thông qua hoặc băng thông dừng tương đối phẳng. Bất kỳ bộ lọc cơ bản tương đương nào cũng có thể được xây dựng với op-amps, và những bộ lọc này đôi khi được tích hợp vào SoCs hoặc các IC chuyên dụng khác cho các ứng dụng cụ thể. Chúng cũng có thể được cấu hình để ngăn chặn tiếng ồn chế độ chung và chế độ khác biệt trong một mạch duy nhất.

Một ví dụ sẽ là sơ đồ trên với cuộn cảm chế độ chung và cặp tụ điện được kết nối với một op-amp. Hàm truyền của bộ khuếch đại sau đó có thể được điều chỉnh bằng cách thêm các phần tử phản ứng vào vòng phản hồi, tuy nhiên hãy cẩn thận với sự ổn định của loại mạch lọc EMI hoạt động này. Lĩnh vực này trong ngành thiết kế điện tử khá rộng lớn và được đề cập trong nhiều sách giáo khoa. Một cuốn sách giáo khoa tuyệt vời về chủ đề này là Manual of Active Filter Design của John L. Hilburn.

Đi Sâu hơn vào Tần số Microwave và mmWave

Việc kiểm tra và tuân thủ EMI/EMC trong lĩnh vực này trở nên phức tạp hơn, cũng như các thiết bị được thiết kế và kiểm tra. Khi EMI từ một sản phẩm đang được kiểm tra là một vấn đề lớn, hoặc khi EMI trong một sản phẩm khó giải quyết, có nhiều lựa chọn thiết kế tiên tiến hơn để xem xét ngoài những điểm đã nêu trên. Lớp phủ tuân thủ hấp thụ có thể giúp cung cấp sự cách ly bổ sung, đặc biệt là đối với EMI từ mép bảng mạch ở tần số GHz. Các cấu trúc cách ly độc đáo cũng có thể giúp giảm thiểu EMI phát ra giữa các khối mạch khác nhau trong một sản phẩm, cũng như cung cấp sự cách ly bổ sung từ EMI bên ngoài. Các phương pháp hay nhất cho bố trí/routing RF, thiết kế stackup, và kiến trúc kết nối RF độc đáo sẽ giúp giảm thiểu sự phát và tiếp nhận EMI từ các loại sản phẩm này.

Dù bạn sử dụng loại bộ lọc EMI, hình học kết nối, hay kỹ thuật cách ly nào, bạn nên mô phỏng tác động của chúng đối với tính toàn vẹn tín hiệu sử dụng công cụ mô phỏng trước và sau khi bố trí. Mô phỏng SPICE trước khi bố trí là lý tưởng để đánh giá thiết kế bộ lọc EMI và đảm bảo bộ lọc của bạn cung cấp mức giảm suy hao phù hợp trong băng thông mong muốn.

Khi nào sử dụng Mạch Bộ Lọc EMI

Một điểm quan trọng cần được xem xét là những hành động nào cần thực hiện khi thiết kế không vượt qua được bài kiểm tra EMC. Mỗi khi tôi được một khách hàng yêu cầu chỉnh sửa một trong những thiết kế của họ do không đạt bài kiểm tra EMC, giải pháp không phải lúc nào cũng yêu cầu mạch lọc. Đôi khi vấn đề là việc nối đất đúng cách trên bảng mạch và trong vỏ máy, hoặc giải pháp có thể liên quan đến việc làm lại một mạch cụ thể ngoài việc thêm bộ lọc EMI.

1. Bắt đầu với bố trí và nối đất. Mỗi khi tôi được yêu cầu sửa chữa một vấn đề EMI ảo gây ra thất bại trong bài kiểm tra EMC, nơi đầu tiên tôi nhìn vào là các mặt phẳng tham chiếu chia tách được sử dụng cho việc định tuyến số và sự chuyển đổi không đúng cách giữa các mặt phẳng tham chiếu trên một bảng mạch đa lớp.
2. Nếu bạn đã làm mọi thứ đúng cách với việc nối đất và định tuyến, và bạn vẫn gặp phải một số vấn đề EMI, vấn đề có thể yêu cầu thêm một bộ lọc EMI mới, hoặc thiết kế lại một bộ lọc EMI hiện có. Đối với tiếng ồn chung, bạn có thể cần phải xem xét lại cách bạn đã nối đất hệ thống để ngăn chặn sự cộng hưởng tiếng ồn điện dung vào PCB.
3. Hai bước trên chủ yếu nhắm vào việc ngăn chặn EMI dẫn truyền vào hoặc ra khỏi hệ thống, cũng như bất kỳ EMI phát xạ nào được tạo ra bởi dòng điện dẫn truyền. Nếu bạn đã sử dụng bộ lọc EMI và áp dụng các phương pháp bố trí tốt nhất cho bảng mạch của mình, và bạn vẫn quan sát thấy EMI phát xạ mạnh, thì có thể bạn cần phải trở nên mạnh mẽ hơn và thêm chắn ở cấp độ bảng mạch hoặc vỏ bảo vệ.

Ngoài những điểm trên, việc lọc EMI có thể là bắt buộc đối với một số hệ thống. Hai ví dụ là trong hệ thống đo lường và kiểm soát chính xác giao tiếp với tín hiệu analog mức thấp, hoặc trong hệ thống công suất cao kết nối với lưới điện. Hãy xem xét những điểm này và các nguồn EMI cụ thể trước khi bạn bắt đầu thêm mạch lọc vào mọi giao diện trong hệ thống của mình.

Nếu bạn chọn sử dụng thiết kế bộ lọc EMI hoặc các biện pháp mạnh mẽ hơn như chắn ở cấp độ bảng mạch trong bảng mạch của mình, hãy sử dụng các công cụ thiết kế trong Altium Designer® để tạo bố cục vật lý và chuẩn bị thiết kế của bạn cho việc sản xuất. Bạn có thể sử dụng tiện ích mở rộng EDB Exporter để nhập bố cục của mình vào máy giải Ansys và xác định vấn đề EMI trong thiết kế của bạn. Khi bạn sẵn sàng gửi thiết kế của mình đi sản xuất và lắp ráp, bạn có thể dễ dàng phát hành dữ liệu thiết kế cho nhà sản xuất của mình với nền tảng Altium 365™.

Chúng ta mới chỉ khám phá được bề nổi của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.