文/ Rigoberto Rios, Jorge Varela, Amanda Ison
实际上,每个电子设备都受到电磁干扰(EMI)或电噪声的影响,并且至少在某种程度上必须加以保护。电磁干扰既有自然产生的,也有人工制造的,从太阳耀斑到手机,如果任其发展,就会降低信号传输的完整性和准确性。除了周围环境中的其他电子产品外,工程EMI甚至可以影响它发射的电路。所以,这是电子设计中普遍存在的问题。
尽管有效的EMI滤波在低功率信号、对信号保真度要求严格、故障成本高的高可靠性电子应用(如卫星和起搏器)中尤为重要,但在要求在噪声环境中对低功率信号灵敏度的商业应用(如仪器仪表设备)中也发挥着关键作用。
为了保护电子电路免受干扰,设备设计人员通常采用板级EMI抑制滤波器,由于EMI保护是几乎每个电子应用程序正常运行的基础,市场上有无数的滤波解决方案。为了确保最佳的滤波器选择,器件设计人员应仔细考虑EMI滤波器在现有应用中的以下七个特性:滤波特性、电路配置、电压条件、结构、安装选项、测试和检查以及制造成本。
选择EMI滤波器的七个基本考虑因素
1.过滤性能emi滤波器被设计用来抑制给定信号的选定频率的传输。在商业、消费和其他不太关键的应用中,最常见的滤波器类型之一是简单的低通EMI滤波器,它允许低频信号通过,同时屏蔽不需要的高频噪声,由其截止频率定义,或滤波器开始衰减部分信号的频率。截止频率通常表示信号振幅低于标称通带值3db的点,并且与频率响应一起,直接受到滤波器的电容和电感值的影响。
插入损耗值是指输入信号的强度与传输信号的强度之比,通常以分贝表示,是滤波器效能的主要特征。对于感兴趣的频率范围,理想的插入损耗是0 dB,对于所有其他频率是无穷大的,但滤波器是复杂的器件,受包括寄生电感、寄生电容、元件谐振和电路谐振等变量的影响;所以,要达到理想的性能是不可能的。然而,一旦滤波器被设计和生产出来,用户就可以分析其在广泛频率范围内的插入损耗,以确定其性能包络的参数。
影响滤波器性能的其他特性包括等效串联电阻(ESR)、耗散因子(DF)和Q因子。低ESR表明设计良好的过滤器在运行过程中不会消耗太多能量。低DF,考虑到滤波电容器的ESR和电抗,是另一个,正如它的逆,Q因子,这也被用于在某些行业表示滤波器质量。
2.电路配置-EMI滤波器广泛适用于几种不同的电路配置,从单接地电容器到多达三个元件的电路。理想的选择取决于当前应用的独特特性和属性,如器件阻抗。
3.电压的条件下,为了获得最佳的EMI保护,EMI滤波器性能必须与相应的电容器性能相匹配,针对给定电路的交流或直流电压条件进行设计和测试,并设计为减轻电流泄漏。例如,陶瓷电容器具有非常薄的陶瓷介电层,将导电层彼此分开,以防止电流的自由流动,并且可以被设计成可以承受超过1,600 VDC的电压。因此,有效的滤波器设计必须采用适当的介电材料和尺寸,最适合每个相应电容器的独特性能要求。
EMI滤波器还必须针对每个电路的交流或直流电压条件进行设计和测试。直流滤波器额定值与交流滤波器额定值不同,因此滤波器成功承受高直流电压的能力并不能充分预测其暴露于高交流电压时的性能,反之亦然。例如,交流额定滤波器通常具有较低的电容值,以防止过热和无功电流加热造成的损坏,而直流额定滤波器预计会经历短暂的、不规则的电压爆发,就像植入式心脏除颤器中使用的那些,很可能会进行脉冲电压测试,以验证电容器的完整性。
除了能够承受给定的电路电压,有效的滤波器也有助于控制电流泄漏通过电容器。虽然不可能构建一个完全阻止电流流动的电容器,但EMI滤波器可以利用固有的材料特性来减轻泄漏电流及其对器件性能的影响。
4.滤波器结构,甜甜圈状盘状电容器是最常见的馈通式EMI滤波器结构之一。这些圆形电容器的内径和外径作为外壳和引线的连接点,并作为电容器的极点。在空间稀缺的应用中,可以将几个盘状电容器集成到一块陶瓷中,以创建电容器阵列。这些过滤馈通组件在最小的物理空间内提供最高浓度的过滤器,通常用于小型、高密度的可植入医疗设备,以及尺寸和重量限制的商业和军事应用。
复杂的电子设备通常需要对多个信号或电源线进行滤波。隔离它们的一种方法是使用一种特殊的金属套圈,它既包含多个滤波器,又充当多个滤波器的公共接地,将它们的外壳连接在一起,同时保持引脚隔离。经过全面测试和组装的馈通滤波电容器阵列为更复杂的电路提供了另一种最佳解决方案,因为它们广泛适用于自定义形状和尺寸,便于无缝、单步集成到更具挑战性的设备设计中,并减少安装错误和导致组件损坏的可能性。可以集成到单个阵列的电容器数量没有硬性限制,但组件成本随着电容器数量的增加而增加。
EMI滤波器也有多种外壳尺寸、引线长度和环境密封选项,可用于广泛的应用适用性,当现有的现成选项不理想时,许多滤波器制造商将开发定制设计。密封过滤器防止气体泄漏,通常用于航空航天应用,环境密封过滤器提供抵抗灰尘,污垢,水分和其他污染物的进入,广泛应用于恶劣环境的汽车,工业,医疗,国防和运输应用。
5.安装选项,虽然滤波器必须安装在EMI屏蔽中,例如良好接地的导电外壳,以获得最佳性能,但设备设计人员可以从各种安装选项中进行选择。焊接过滤器非常适合于紧凑型安装,设计用于承受短暂暴露在高焊接温度下,通常实现前三种安装风格的最佳密封性。其他领先的选择包括螺栓式滤波器,具有螺纹,通常是六边形的头部,以及螺纹式圆柱滤波器,具有最大的内部体积,可以容纳复杂的电路,如Pi和T滤波器,在单个封装中,并使用单独的螺钉安装。
除了为特定应用选择正确的安装方法外,设备设计人员还可以在将焊点暴露于充分的焊接温度之前对焊点进行预热,以帮助减轻热应力,并轻轻处理过滤器外壳,以防止机械变形,从而进一步确保过滤器在安装期间和安装后的完整性。
6.测试及检验-在为载人航天飞行和植入式医疗设备等关键任务应用选择过滤器时,选项应限于已经过增强的电气和视觉检查以及额外的测试序列,以进一步确保强大的长寿命性能。例如,一些军事规范包含电气、机械和热测试程序的极其具体的说明和性能要求,并可用于验证关键任务应用的适用性。此外,压力测试通常是对陶瓷部件进行的,因为它们通常具有很高的裂纹扩展倾向,而那些具有任何机械不稳定迹象的部件通常会在早期失效,并有效地消除可能导致未来性能问题的任何劣质部件。
经验丰富的过滤器制造商应该提供几种不同的检查和测试能力,并帮助客户确定哪些程序最适合根据给定的应用需求验证性能。
实际测试序列可能略有不同,具体取决于过滤器制造商和任何特殊设备的要求,但通常包括MIL-PRF-28861, MIL-PRF-31033, MIL-STD-202和MIL-STD-220规格中概述的测试。
7.成本和制造考虑因素-滤波器的规格,包括电路的复杂性、电压和电流额定值、尺寸、耐温度、可靠性水平以及验证可靠性所需的测试量,都在不同程度上影响滤波器的成本。其中许多因素受设备级要求的控制,但滤波器设计的一些方面为有经验的制造商留下了空间,可以在不显著影响滤波器功能的情况下降低成本。
适当的材料选择是过滤器成本的一个重要因素,因为不同的材料选择之间的价格和功能可能会有很大差异。例如,使用钯而不是铂用于引线或电容器端子可以节省大量的材料成本,但也会使安装更加困难。由于某些材料选项最适合特定的连接方法,因此,包括引线是否将焊接、焊接或以其他方式插入最终设备在内的变量也会影响材料选择。为了做出最佳的选择,重要的是要考虑电容器的尺寸,如厚度和形状,并建立对组装过程环境的坚实理解。电容设计的微小变化,如电容值,可能会对制造和器件设计过程产生严重的不利影响,有时可能需要完全重新设计滤波器。
此外,在某些情况下,设备设计人员可能有过滤器制造商可能没有的额外见解,例如通过简化或优化安装方法节省更多成本的潜力,这将使更昂贵、更复杂的过滤器设计变得值得。因此,在设计周期的早期讨论任何潜在的成本/性能权衡是很重要的,以确保可以从可用的选择中指定高质量的产品或以合理的成本创建产品。虽然一些电子设备有特别独特的要求,需要完全定制的过滤器,但许多设备需要比现有解决方案稍微复杂一些的解决方案,可以利用现有的过滤器作为模板,以实现半定制设计,缩短交货时间,降低初始量的合格和每件零件成本。
选择EMI滤波器的其他应用程序特定注意事项
商业过滤器-对于商业过滤器和设备的规定可能因销售国家而异。例如,一些国家限制电子产品中有害物质的浓度,并要求制造商遵守RoHS或类似标准。经验丰富的过滤器设计师非常了解这些要求,并可以为客户提供替代选择,例如使用无镉端子或导电聚酰亚胺代替焊料。
有关电磁辐射发射的规章制度也可以促使人们决定使用过滤器。除了防止有害的EMI进入设备之外,滤波器还可以防止EMI逸出并干扰周围环境中的其他敏感设备。几乎每个国家都有规定,确定设备可能产生的电磁干扰的批准类型和数量。
许多国家和公司还执行有关选择道德部件供应商的规定。道德过滤器供应商遵守其所在国的所有劳动法规,以及更大的国际法规,如2015年的《现代奴隶制法案》、SA8000、EICC行为准则和国际劳工组织18000,并且可能还拥有ISO 9001等认证,这可以帮助确保供应商遵守道德制造实践。
航空航天和国防过滤器-航空航天和国防电子产品必须遵守一系列严格的规章制度,这些规章制度几乎管理着设备性能、制造和测试的各个方面。此外,国防公司在如何选择和审计供应商方面通常必须遵守严格的规定,甚至可能仅限于获得某些政府军事和航空航天规范认证的特定供应商名单。例如,美国要求公司遵守适用的出口合规法规,如出口管理条例(EAR)和国际武器贩运条例(ITAR)。航空航天和国防供应商还必须遵守有关其所制造产品的安全和机密性的规定,以及有关产品预期用途或用户的任何信息。
医疗设备过滤器-近年来,医疗设备技术以惊人的速度发展,以更小、更轻的形式提供更大的功能,旨在提高舒适性、易用性和抗环境性。然而,这些和其他敏感的电子设备在医疗环境和日益互联的整个世界中都受到越来越大程度的电磁干扰,而且由于其可靠性的关键性质,它们特别容易受到各种EMI来源的有害干扰。为了确保高水平的精度和可靠性,大多数医疗设备采用EMI滤波器来最大限度地减少噪声并保持信号保真度。
医疗设备滤波器有一些最严格的空间要求,因此,通常指定过滤馈电阵列或微型盘状电容器,在小容量封装中提供高密度性能。此外,由于绝大多数可穿戴和植入式医疗设备是电池供电的,设备设计人员必须选择低功耗滤波器来延长设备寿命。测量和最小化等效串联电阻(ESR)或损耗因子(DF)可以帮助将不必要的电池损耗降至最低,高绝缘电阻(IR)可以帮助最大限度地减少电容上的电流泄漏。现代植入式医疗设备通常采用一次电池,不可充电电池,设计寿命为10年或更长时间。然而,由于高可靠性植入电池技术还没有完全跟上许多其他医疗组件的小型化步伐,最大限度地降低功耗对于实现电池和设备预期寿命尤为重要。
早期的植入式设备,如心脏起搏器,由于如此大量的EMI会对设备性能产生影响,不兼容磁共振成像(MRI),但许多设计已经进化到可以安全地承受特定水平和持续时间的MRI暴露。医疗设备设计人员用来确保他们的设备是mri兼容的测试方法可以是每个公司的专利,但总是需要各种类型的过滤器。因此,供应给医疗设备市场的过滤器制造商必须仔细考虑他们的测试程序和任何后续的MRI暴露如何可能影响诸如铅连接方法或内部或外部接地机构的选择等特性。
此外,一些全球监管机构对医疗设备制造商及其供应商实施了一系列严格的专有法规,以进一步确保患者和操作人员的安全。这些范围从严格的设计要求到彻底的现场审计和复杂的文档流程。因此,对于医疗设备设计师来说,选择具有良好的合规记录、可靠的设计和高质量的制造工艺的过滤器制造商是至关重要的。医疗设备设计人员也可以从尽可能指定现有过滤器产品中受益,因为这样做可以显著减少设备鉴定前置时间和节省成本。
结论
EMI由许多天然和工程来源发出,并且是一种危害,无论应用领域如何,几乎所有电子设备都必须得到充分保护。板级EMI抑制滤波器是最常见的电磁兼容解决方案之一,广泛适用于各种尺寸、配置、材料、性能和成本。虽然大多数电子产品采用EMI滤波器,但大多数也有自己独特的应用要求。包括电容、额定电压、尺寸、密封性和成本在内的因素必须仔细平衡,以达到最佳的最终结果。为了确保最优的滤波器选择,设备设计人员应该仔细考虑这里所述的EMI滤波器的七个基本特征——滤波特性、电路配置、电压条件、结构、安装选项、测试和检查以及制造成本——在现有应用的背景下。
具有标准可靠性要求的商业和消费者应用程序可能能够利用现成的滤波器组件功能,但每个应用程序仍然可能需要其独特的滤波器特性组合。这些类型的应用还经常受到环境、EMI辐射和道德制造法规的制约,这些法规可能因国家而异。更高可靠性的应用包括军事、国防、航空航天和医疗应用,通常需要对现有滤波器组件进行半定制修改或完全定制解决方案。在这些情况下,器件设计人员和EMI滤波器设计人员在整个设计周期中进行沟通和协作,以开发满足性价比的解决方案至关重要。通常情况下,经验丰富的过滤器设计师可以帮助修改现有的解决方案,以帮助客户实现略复杂的解决方案,而不是现成的更短的交货时间和鉴定流程,以及更低的初始量的单件和鉴定成本。因此,在选择过滤器制造商时,重要的是选择一个提供多种不同的检查和测试能力的制造商,对于更高的可靠性应用,具有可验证的法规遵从记录,可靠的设计和经过验证的制造工艺。
作者传记
Jorge Varela于2020年3月加入AVX Filters集团,担任高级工程师。在加入AVX之前,Jorge在美国海军陆战队服役数年,并毕业于北岭的加州州立大学,获得BSEE学位。他在电子电路设计、电容器应用和销售方面经验丰富,并与供应商合作进行硬件设计和医疗仪器设备的实现。乔治在洛杉矶地区长大,目前和这个家庭一起住在Hueneme港的沿海社区。他是一个狂热的骑自行车和徒步旅行者在圣莫尼卡和圣保拉荒野地区。有关AVX EMI滤波器的更多信息,请通过电子邮件联系乔治.
Amanda Ison获得了南加州大学生物医学工程学士学位。2016年12月,她加入AVX,担任首席工程师,专注于电气和机械测试设计。在加入AVX之前,Amanda曾在Shire和Medtronic担任工程职务。
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