介绍
实践EMC工程师或产品设计师的角色之一是能够设计添加到电路中的滤波器以使它们通过各种EMC抗扰性和排放标准,如IEC 61000-4-2 ESD抗扰性,IEC 61000-4-3用于辐射射频抗扰性和IEC 61000-4-4用于电气快速瞬态/突发抗扰性和其他辐射排放(RE)或传导排放(CE)的各种国际标准。
EMI滤波器通常与适当的屏蔽一起使用,以达到EMC合规性。过滤器的目的是建立或低阻抗路径使射频电流返回到本地能量源,和/或提供高阻抗防止射频电流流过电缆。然而,为给定的情况选择合适的过滤器可能是困难的这让一些人感到困惑,特别是如果他们是EMC领域的新手或在一段时间内没有处理过这个主题。
EMC从业者可能会问自己,对于任何给定的应用程序,哪种过滤器配置是最好的在给定频率、电路阻抗等参数的情况下,如何正确选择元器件的取值电路的。他们可能还想知道如何从他们的滤波器设计中获得更多的衰减,以便通过排放或免疫测试。现在还不是学习如何正确设计符合EMC要求的滤波器的时候日程安排很紧,产品的发货日期很快就要到了。
如果你发现自己陷入了上述任何一种情况在这种情况下,这篇关于EMC遵从性的无源滤波器基础知识的文章应该有助于消除神秘感,并允许您了解快速找到最佳的无源元件滤波器解决方案,使产品按时发货。
符合emc要求的无源滤波器基础知识
无源低通滤波器
幸运的是,设计符合EMC要求的滤波器并不像看起来那么困难。在大多数情况下,为了满足EMC要求,我们实际上只需要知道如何将无源低通滤波器应用到我们的电路中。其他类型的无源滤波器,如高通,
在EMC工作中,带通和带阻滤波器不像低通滤波器那样常见,本文将不讨论。有关这些其他筛选器类型的更多信息,请参阅参考资料。
不幸的是,电路阻抗并不总是被很好地理解或不可能知道,这使得确定要通过EMC符合性测试而选择哪些无源低通滤波器组件的值变得更加困难。这是在RE测试期间电缆发出共模发射的情况,其中电缆的阻抗随着重新排列而变化,以最大限度地提高发射(参考[1]).
如果不知道负载阻抗,则不可能对滤波器进行精确的建模。要知道低通滤波器设计是否足够,唯一的方法是在EMC符合性测试期间进行试错实验,或者更好的方法是尝试不同的低通滤波器
组件值在产品开发周期的早期。为了达到最有效的效果,该实验工作应该在您自己的测试设备中进行的预遵从性测试期间进行,然后再进行完全遵从性测试。看到参考[3]参阅有关如何设置内部合规前EMC测试设施的详细说明。
低通滤波器是这样一种滤波器:低于某一重要频率的频率很容易通过,而高于这一重要频率的频率则严重衰减。无源低通滤波器是一种简单的分压器;非放大器件由电阻和电容器、电感(或铁氧体)和电容器组合组成,或在某些情况下,可以仅由这些组件中的一个组成。例如,在没有安装电阻器或电感器的情况下,跨线放置一个电容到参考地可能是为了抑制不需要的信号所需要的全部。
使用单组件过滤器的好处是只需要一个物理设备,这反过来需要更少的板空间,也有助于降低部件成本。多元件滤波器在涉及的频率范围太大和不可能的情况下是有用的
对于一个单分量滤波器完全衰减。
Rc低通滤波器
低通滤波器最基本的形式之一是由一个电阻和一个电容组成,即RC滤波器。在RC低通滤波器中,截止频率发生在共振处,其中电容电抗(Xc)等于电阻(R),其中X .c= 1/2πfC (参考[4]).
文中给出了一种简单的RC低通滤波器及其截止频率的计算公式图1.中所示的筛选器图1它也被称为L滤波器,因为它与字母L相似。它也被认为是单极滤波器,因为只有一个无功组件,电容器。
图1:基本RC低通滤波器(L型)
低通滤波器具有理想的理论响应,其中所有低于所谓临界频率(3db下降点)的信号都很容易通过设备,超过该频率的所有信号都被严重衰减。理想的低通滤波器响应曲线如图所示图2.
图2:理想低通滤波器响应曲线
在实际应用中,滤波器的输出并不会像理想曲线中所示的那样突然归零图2.实际上,输出将以6 dB/八度或20 dB/十年的速率逐渐滚转,如图所示图3.
低通滤波器的电磁兼容应用
参考[3]建议应用低通滤波器来解决EMC问题,如快速瞬态或ESD放电抗扰性问题,并且在大多数情况下组合低通滤波器的一个良好起点是在信号线中使用47到100Ω系列电阻,在信号或电源返回线中使用1到10nF电容。如果我们采用这些信息,并选择R = 100Ω和C = 10nF作为起点,则截止频率(f有限公司)将约等于159 kHz,低通滤波器响应曲线如图3所示。只有极少数大于1.59 MHz的信号会通过滤波器
因为它们比滤波器的截止频率159千赫的任何信号都低20分贝。
作为另一个例子,如果我们让R = 100Ω并选择C = 1nF, 3 dB下降点的截止频率移动到大约1.59 MHz, 6 dB下降点是3.2 MHz,而信号在15.9 MHz几乎完全衰减。大于15.9 MHz的信号被严重衰减,不允许通过滤波器。
表1包含到目前为止讨论的各种R-C低通滤波器值以及其他一些可能有用的矩阵,以及它们在6 dB和20 dB下降点的低通滤波器特性响应。
当试图抑制不需要的高频信号时,人们可能会发现只包含单个无功组件(即一个电容器或一个电感)的滤波器可能无法提供足够的衰减。添加第二个活性组分将使滚转数增加到12
分贝/八度或40分贝/十年(参考[4]).这些类型的滤波器被称为各种名称,如双极滤波器、两级滤波器、两元滤波器或二阶滤波器。带有三个无功组件的滤波器将提供18 dB/八度或60 dB/十年的衰减。四个无功滤波器可提供24 dB/八度或80 dB/十年的衰减,依此类推(参考[2]).
图3:真实的低通滤波器响应曲线
表1:R-C值和低通滤波器响应的矩阵
f的选择有限公司
在为低通滤波器选择截止频率时,重要的是要考虑预期数据、时钟和滤波线上出现的其他有目的信号的基频。如果选择的截止频率在频率上太低,那么预期信号将与您想要抑制的更高频率信号一起衰减。尽量保持预期信号的至少5次谐波,理想的是10次谐波(参考[3]).许多与非屏蔽电缆一起使用的I/O信号需要某种形式的滤波,以符合EMC标准。这些信号的频率通常为1mhz或更低(参考[1]).重要的是要确保通过添加滤波器的阻抗到电路中,它不会反过来产生信号完整性问题。
一旦选择了滤波器的组件值,请仔细考虑它将被放置在电路或系统中的位置。当过滤器尽可能靠近被保护的物品时,获得最大的好处,对于大多数设计来说,一厘米是理想的(参考[1]).
为了防止任何额外的不需要的电感影响滤波器的性能,请务必保持尽可能短的引线长度。本文稍后将讨论其他布局和放置问题。
铁氧体的使用
如果串联电阻上的电压降不能容忍,则可以使用像铁氧体这样的器件,作为电压降最小的高频电阻来代替电阻。因为铁氧体呈现电路具有较高的交流阻抗,同时也没有
影响信号质量,它们最适合滤波频率大于30 MHz。使用铁氧体时,要仔细考虑电路中存在的直流电流或低频电流。它们很容易因电路中电流过大而饱和,从而失效(参考[5]).
电感器的使用
电感也可以作为低通滤波器中的串联元件,而不是电阻器或铁氧体,特别是在处理10至30 MHz范围内的信号时。在使用电感器时,要注意它们的感应电抗(XL = 2πfL)和寄生电容在这些较高频率下的影响。当您试图创建low-pass过滤器时,实际上可能正在创建high-pass过滤器,甚至没有意识到这一点。
基本过滤器拓扑
下面的图表显示了电路源和负载输入输出阻抗以及滤波器输入输出阻抗之间阻抗不匹配的两种基本滤波器配置。两者都是以它们的形状命名的。第一个被称为π滤波器,因为它看起来像希腊字母π,第二个被称为T滤波器,因为它看起来像字母T。注意,在这些滤波器中有三个反应性元素,这意味着它们的衰减曲线为18 dB/八度和60 dB/十年。它们被认为是三阶滤波器(参考[5]).
阻抗失配
在选择合适的滤波器配置时,必须考虑源阻抗和负载阻抗。如果为了正常工作,驱动输入到低阻抗分流元件(即电容器)的源应该是高阻抗的。如果源的输出是低阻抗的,它应该面对高阻抗的串联分量。同样的概念也适用于负载输入阻抗与滤波器输出阻抗的比较。一般来说,源或负载阻抗小于100Ω被认为是低阻抗,大于100Ω被认为是高阻抗(参考[5]).表1提供源阻抗与负载阻抗的矩阵及其相关的正确滤波器拓扑。
差模(dm)和共模(cm)电流
有两种不同类型的电流模式,因此噪声源能够产生干扰。重要的是要知道哪种模式是普遍的,这样才能应用适当的过滤。我们提到的两种类型的信号是差模(DM)和共模(CM)信号。
DM信号携带有用的信息,而CM电流没有提供任何有用的信息,是RE和CE问题的主要来源。一个DM信号沿电路路径的一侧向下传播,而一个相等且相反的DM信号在电路路径的另一侧反向传播。如果没有电路中断存在,那么这两个DM信号就会完全抵消,没有CM电流产生。将电容器放置在出线和回线和/或电感与出线或回线串联,称为DM滤波。
CM信号是存在于电路的出线和回线中的同相信号。它们并不相互抵消,而是相互叠加,通常达到足以引起EMI问题的水平。CM滤波涉及在每条信号线上放置电容到地参考,有时也在电路中使用CM电感。CM电感只作用于存在的CM信号。不影响DM信号。
寄生
必须解决组成过滤器的元素的非理想行为。出乎意料的是,我们会发现真正的电容器和电感同时具有电容和电感,这限制了它们的可用带宽。电路中寄生的数量可以通过适当的元件选择和布局技术来减少,但不能完全消除。随着频率的增加,电容器的电抗减小,直到达到自谐振频率。到目前为止,电容器的行为是它应该-它的行为像一个电阻。在其自谐振频率点以上,电容器成为电感,它的行为就像一个电感,因为寄生电感发现在其金属板。这种寄生效应在引线类型的电容器中比几乎没有引线长度的表面贴装技术(SMT)类型的电容器更大。
相反的效果发生在一个电感,它的电抗变成电容高于其自谐振频率点,在那里电感现在像一个电容器。在自谐振频率,电容器旨在提供一个非常低的阻抗和电感
应该提供一个高阻抗。对于电感器,它们的限制因素与每个绕组之间的寄生电容和位于一个引线和另一个引线之间的总电容有关。
电感线圈间寄生电容对EMI抑制效果的影响不如电容的寄生电感大。改变电容器预期性能的主要因素是它们所安装的电路的寄生电感,而不一定是电容器的结构。因此,当试图有效地利用无源低通滤波器抑制EMI时,正确的布局和放置就成为关键因素。
布局和放置问题
因为会涉及到未知和隐藏的寄生,所以不要期望您的过滤器设计第一次就能100%工作。如前所述,预计需要在实验室中执行一些试错设计和故障排除。如果还没有,手头有您想要尝试的各种组件的选择。不要等到最后一分钟才获得你想要使用的SMT电容器、电感或铁氧体。确保所选择的组件是针对所涉及的带宽设计的。创建您自己的值矩阵、临界频率和6 db和20 db滚转曲线。
在检查布局时,寻找比必要的线长,增加额外的电感和阻抗。应用修复程序时,请确保保持短连接。如果一个R-C滤波器被添加到一个微控制器的复位引脚,把它放在尽可能接近引脚,不要忽略其返回轨迹的长度。一般来说,最好将滤波器放置在尽可能靠近有问题的信号源的地方,而不是某个遥远的模糊位置。
注意允许过多电容和电感耦合到其他噪声信号或迹线的迹线或导线布线。过滤器组件应放置在入口连接器(I/O和电源输入)的右侧。在电路或系统中放置一个更深的滤波器允许EMI进入系统(参考[6])。如果不保持分离,输入和输出部分的不正确路由可能意味着过滤元件基本上被绕过,不再有效。在pcb上,电容器应将不需要的信号分流到机箱,而不是线对线或线回(参考[6]).最好了解电流流动的路径,不一定依赖于“地面”作为最终的零欧姆阻抗和唯一的问题救世主。
最后,虽然他们似乎是有用的和容易排除故障,不要期望太多钳钳铁氧体共模扼流圈,因为他们只提供约10 dB的衰减(参考[3]).
结论
利用无源低通滤波器来获得EMC合规性的需求是必然的。它们为射频电流提供低阻抗路径以返回到本地能量源,或提供高阻抗以防止不必要的射频电流流动。能同时兼顾两者的过滤器是最理想的。设计低通滤波器抑制EMI并不难。在需求出现之前,适当的知识和计划可以为开发人员节省一些时间和麻烦。
参考文献
[1] Archambeault,真实世界EMI控制的PCB设计,Kluwer学术出版社,2002
[2] Frenzel, Jr.,《电子通信系统原理》,第四版,McGraw-Hill, 2016
[3] André & Wyatt, EMI故障诊断产品设计师食谱,科技出版,2014。
[4]蒙特罗斯,EMC制作简单,印刷电路板和系统设计,蒙特罗斯合规服务公司,2014
[5]阿姆斯特朗,EMC滤波器指南,干扰技术,2017
[6] Montrose, EMC符合性印刷电路板设计技术-设计人员手册,第二版,2000。