EMC / Compliance11. April 202610 Min. Lesezeit

EMI-Filterdesign: LC-Filterberechnungen zur CISPR-Konformität

Entwerfen Sie EMI-Filter für die Einhaltung der Vorschriften für leitungsgebundene Emissionen. Behandelt die Auswahl der LC-Filtertopologie, die Berechnung der Grenzfrequenz, die Filterung im Gleichtakt- und Differenzmodus sowie die CISPR 32-Grenzwerte.

Inhalt

Das Problem der leitungsgeführten Emissionen
CISPR-Grenzwerte verstehen
Differentialmodus im Vergleich zu Gleichtaktgeräuschen
Grundlagen des LC-Filters
Funktioniertes Beispiel
Komponentenauswahl für EMI-Filter
Induktoren
Kondensatoren
Mehrstufige Filtertopologien
Praktische Layout-Tipps, die über Erfolg oder Misserfolg Ihres Filters entscheiden
Zusammenfassung

Das Problem der leitungsgeführten Emissionen

Sie haben ein Netzteil im Schaltmodus gebaut, das auf der Bank wunderbar funktioniert. Es reguliert sich perfekt, die Effizienz ist großartig, die thermische Leistung ist solide. Dann bringen Sie es ins EMC-Labor und es übertrifft die leitungsgebundenen Emissionen bei 300 kHz um 15 dB. Willkommen im Club.

Leitungsgebundene Emissionen sind die Störströme, die Ihr Produkt zurück in das Wechselstromnetz oder die Gleichstromversorgungsleitungen leitet. Jeder Schaltwandler, jeder Motortreiber, jeder LED-Treiber und jeder digitale Schaltkreis erzeugt hochfrequente Geräusche, die über das Netzkabel übertragen werden und möglicherweise andere Geräte im selben Netz stören. Aus diesem Grund reguliert jedes Land der Erde die leitungsgebundenen Emissionen, und deshalb ist das Design von EMI-Filtern eine wichtige Fähigkeit für jeden Leistungselektroniker.

Die gute Nachricht: Wenn Sie erst einmal die Physik verstanden haben, sind LC-Filter bei der Unterdrückung leitungsgebundener Emissionen bemerkenswert effektiv. Die schlechte Nachricht: Um die Komponentenwerte und die Topologie richtig zu bestimmen, sind mehr Überlegungen erforderlich, als es die meisten Ingenieure tun. Verwenden Sie den EMI-Filter-LC-Rechner, um bei der Erarbeitung der Konzepte die Filterdesigns schnell zu wiederholen.

CISPR-Grenzwerte verstehen

CISPR 32 (das CISPR 22 ersetzte) definiert Grenzwerte für leitungsgebundene Emissionen von 150 kHz bis 30 MHz. Es gibt zwei Grenzwertklassen:

Klasse	Umgebung	Quasi-Spitzengrenzwert (150 kHz)	Durchschnittsgrenzwert (150 kHz)
A	Industriell	79 dB $\mu$ V	66 dB $\mu$ V
B	Wohngebäude	66 dB $\mu$ V	56 dB $\mu$ V

Die Grenzwerte sinken mit steigender Frequenz. Sie fallen zwischen 150 kHz und 500 kHz um etwa 13 dB, halten sich dann relativ konstant von 500 kHz bis 5 MHz und verringern sich um weitere 10 dB von 5 auf 30 MHz.

Klasse B ist diejenige, die weh tut. Konsumgüter, IT-Geräte und alles, was in einer Wohnumgebung verwendet wird, muss der Klasse B entsprechen. Das ist durchweg 13 dB strenger als Klasse A. Viele Ingenieure entwickeln Produkte nach Klasse B, auch für Industrieprodukte, weil das Erlangen des Klasse-B-Zeichens mehr Märkte eröffnet.

FCC Part 15 Unterabschnitt B hat ähnliche Grenzwerte, verwendet jedoch die CISPR 22-Methode. Wenn Sie CISPR 32 Klasse B bestehen, werden Sie mit ziemlicher Sicherheit die FCC bestehen.

Differentialmodus im Vergleich zu Gleichtaktgeräuschen

Dies ist das wichtigste Konzept beim Design von EMI-Filtern, und es falsch zu machen, ist der Hauptgrund, warum Filter nicht wie erwartet funktionieren.

Das Rauschen im Differenzmodus wird auf der Leitung und den Neutralleitern in entgegengesetzte Richtungen übertragen. Es wird durch den pulsierenden Strom verursacht, der vom Schaltwandler selbst aufgenommen wird. Ein Abwärtswandler, der den Strom bei 500 kHz zerkleinert, erzeugt starke DM-Oberschwingungen bei 500 kHz, 1 MHz, 1,5 MHz usw. Gleichtaktgeräusch (CM) ** strömt sowohl auf der Leitung als auch auf dem Neutralleiter in dieselbe Richtung und kehrt durch den Erdboden zurück. Es wird durch parasitäre Kapazitäten zwischen den Schaltknoten und der Masse des Gehäuses verursacht — die Kapazität zwischen Kühlkörper und MOSFETs, die Wicklungskapazität des Transformators und die parasitäre Kopplung der Leiterplatte.

Die wichtigste Erkenntnis: Das DM-Rauschen dominiert unter 1—2 MHz, während das CM-Rauschen oberhalb von 2 MHz vorherrscht. Diese Verallgemeinerung gilt für die meisten Switchmode-Wandler und gibt an, worauf Sie Ihre Filterleistung bei den einzelnen Frequenzen konzentrieren müssen.

Messung der Trennung: Verwenden Sie für jede Leitung ein LISN (Line Impedance Stabilization Network) und berechnen Sie dann: $V_{DM} = (V_L - V_N)/2$ und $V_{CM} = (V_L + V_N)/2$ . Einige EMC-Empfänger verfügen über ein CM/DM-Diskriminierungsnetzwerk, das dies automatisch erledigt.

Grundlagen des LC-Filters

Ein einfacher LC-Tiefpassfilter bietet eine Dämpfung von 40 dB/Dekade über der Grenzfrequenz. Das sind 12 dB pro Oktave oder ungefähr 40 dB Dämpfung für jedes Jahrzehnt, in dem Sie den Grenzwert überschreiten. Die Grenzfrequenz ist:

§0 §

Bei einem einstufigen LC-Filter beträgt die Einfügedämpfung bei einer Frequenz $f$ weit über dem Grenzwert ungefähr:

\text{IL}(f) \approx 40 \log_{10}\left(\frac{f}{f_c}\right) \text{ dB}

Entwurfsverfahren:

Messen (oder schätzen) Sie Ihre ungefilterten, leitungsgebundenen Emissionen
Mit dem geltenden Limit vergleichen
Ermitteln Sie die erforderliche Dämpfung bei der Frequenz im schlimmsten Fall
Fügen Sie 6-10 dB Spielraum hinzu (Komponenten verschlechtern sich, Parasiten beeinträchtigen die Leistung)
Wählen Sie $f_c$ , um die erforderliche Dämpfung bereitzustellen
Wählen Sie L- und C-Werte, um diesen $f_c$ zu erreichen

Funktioniertes Beispiel

Ihr 100-kHz-Abwärtswandler zeigt 85 dB $\mu$ V bei 300 kHz auf der LISN an. Die Quasi-Peak-Grenze von CISPR 32 Klasse B bei 300 kHz liegt bei etwa 60 dB $\mu$ V. Sie benötigen:

\text{Required attenuation} = 85 - 60 + 6 = 31 \text{ dB (with 6 dB margin)}

Das Rauschen liegt bei 300 kHz und Ihre Schaltfrequenz beträgt 100 kHz. Sie möchten also, dass der Filtergrenzwert deutlich unter 300 kHz liegt. Für 31 dB bei 300 kHz:

31 = 40 \log_{10}(300/f_c)

f_c = 300 / 10^{31/40} \approx 300 / 10^{0.775} \approx 300 / 5.96 \approx 50 \text{ kHz}

Sie benötigen also einen LC-Filter mit einem Grenzwert von etwa 50 kHz. Wählen wir

C = 1\,\mu

F (ein Standardwert für den X2-Sicherheitskonzentrator):

L = \frac{1}{(2\pi f_c)^2 C} = \frac{1}{(2\pi \times 50 \times 10^3)^2 \times 10^{-6}} \approx 10 \text{ mH}

Eine 10-mH-Gleichtaktdrossel oder eine Gegentaktdrossel in Kombination mit einem Kondensator von 1

\mu

F bietet Ihnen die Filterung, die Sie benötigen. Überprüfen Sie dies mit dem EMI-Filter-LC-Rechner.

Komponentenauswahl für EMI-Filter

Induktoren

Gleichtaktdrosseln sind so gewickelt, dass sowohl die Leitung als auch der Neutralleiter auf demselben Kern liegen, wobei die Wicklungen entgegengesetzt sind. Der normale Laststrom (Differenzmodus) wird im Kern unterbrochen, sodass der Induktor unter Last nicht gesättigt wird. Nur bei Gleichtaktströmen wird die volle Induktivität erreicht. Typische Werte: 1-47 mH für Netzfilter. Kernmaterialien: nanokristallin (beste Breitbandleistung), MnZn-Ferrit (gut bis 1 MHz), NiZn-Ferrit (gut über 1 MHz). Induktoren im Gegentakt müssen den vollen Laststrom ohne Sättigung übertragen. Dadurch wird der Induktivitätswert für eine bestimmte Kerngröße begrenzt. Typische Werte: 10-1000

\mu

H. Pulverförmige Eisenkerne sind üblich, da sie eine weiche Sättigungscharakteristik aufweisen.

Der praktische Haken: Die Induktorimpedanz hat eine Eigenresonanzfrequenz (SRF), ab der das Bauteil kapazitiv wird und nicht mehr filtert. Vergewissern Sie sich immer, dass der SRF über Ihrer höchsten Störfrequenz liegt.

Kondensatoren

X-Kondensatoren befinden sich zwischen Leitung und Neutralleiter (über das Stromnetz). Sie unterdrücken Störgeräusche im Differenzmodus. Sicherheitsklasse X1, X2 oder X3, je nach Spannungs- und Überspannungsanforderungen. Typische Werte: 100 nF bis 2,2

\mu

F. X2 ist die gängigste Nennleistung für Konsumgüter. Y-Kondensatoren reichen vom Leitungs- oder Neutralleiter zum Erdboden. Sie unterdrücken Gleichtaktgeräusche. Sicherheitsklassen Y1, Y2, Y3, Y4 — die Zahlen geben die Stoßspannungsfestigkeit an. Y2 ist typisch für Unterhaltungselektronik. Grenzwerte für Leckstrom beschränken die Y-Kondensatorwerte für medizinische Geräte auf etwa 4,7 nF und für kommerzielle Produkte auf 10-47 nF. Bei Überschreitung dieser Werte besteht die Gefahr, dass der Berührungsstrom-Sicherheitstest (Leckage) nicht besteht.

Eine eingehendere Analyse, wie Abschirmung die Filterung im Rahmen einer vollständigen EMC Strategie ergänzt, finden Sie im Cable Shield Effectiveness Calculator.

Mehrstufige Filtertopologien

Ein einstufiger LC-Filter liefert 40 dB/Dekade. Brauchen Sie mehr? Fügen Sie eine weitere Stufe für 80 dB/Dekade hinzu:

§6 §

Gängige Topologien für EMI-Filter in Wechselstromnetzen, von den einfachsten bis zu den effektivsten:

Nur C — nur X- und Y-Kondensatoren. Schnelle Lösung, begrenzte Dämpfung. Gut für 10-15 dB.
LC (Pi-Abschnitt) — ein Induktor und Kondensatoren. Die Topologie des Arbeitspferdes. Gut für 30-50 dB.
CLC (Pi-LC) — Kondensator-Induktor-Kondensator. Fügt weitere 20 dB hinzu, ohne die Größe wesentlich zu erhöhen.
LCLC (zweistufig) — zwei Induktions-Kondensator-Stufen. 80 dB/Dekade-Rolloff. Wird verwendet, wenn eine starke Dämpfung erforderlich ist.

Jede weitere Stufe erhöht die Bauteilkosten und erhöht den Platzbedarf auf der Platine, erhöht jedoch die Dämpfung im Hochfrequenzbereich erheblich. Für die meisten Produkte ist ein gut durchdachter einstufiger Filter mit einer Gleichtaktdrossel, X-Kondensatoren und Y-Kondensatoren ausreichend.

Praktische Layout-Tipps, die über Erfolg oder Misserfolg Ihres Filters entscheiden

Halten Sie Eingabe und Ausgabe getrennt auf. Der häufigste Fehler beim Filterlayout besteht darin, die ungefilterten Eingabespuren in der Nähe der gefilterten Ausgabespuren zu platzieren. Durch kapazitive und induktive Kopplung zwischen ihnen kann Ihr Filter vollständig umgangen werden, wodurch eine Leistung von über 20 dB verloren geht. Y-Kondensatoren auf einen Erdungspunkt mit niedriger Impedanz. Lange Leiterbahnen oder Leitungen von Y-Kondensatoren zur Gehäuse-Erdung erhöhen die Induktivität, wodurch die Gleichtaktfilterung bei hohen Frequenzen reduziert wird. Bringen Sie kurze, breite Leiterbahnen direkt an einer Gehäuse-Erdungsschraube oder einem Federclip an. Platzieren Sie den Filter an der Stromanschluss. Der Filter sollte das Erste sein, was am Netzanschluss sichtbar ist, bevor Leiterplattenspuren entstehen, die abstrahlen könnten. Bei vielen Produkten wird der Filter am Netzeingangsmodul selbst montiert. Verwenden Sie eine Masseplatte unter dem Filter. Wenn sich der EMI-Filter auf der Hauptplatine befindet, reduziert eine solide Massefläche darunter die parasitäre Kopplung und bietet einen Rückweg für Gleichtaktströme.

Der Designer für leitungsgeführte Emissionsfilter hilft Ihnen bei der Modellierung mehrstufiger Filter und bei der Überprüfung, ob Ihre Komponentenwerte die erforderliche Dämpfung über den gesamten CISPR-Frequenzbereich hinweg bieten.

Zusammenfassung

Die Entwicklung eines effektiven EMI-Filters zur Einhaltung der Vorschriften über leitungsgebundene Emissionen folgt einem logischen Prozess:

Getrenntes DM- und CM-Rauschen — sie erfordern unterschiedliche Filterkomponenten und Topologien
Berechnen Sie die erforderliche Dämpfung aus Ihren gemessenen Emissionen abzüglich des Grenzwerts plus einer Marge von 6-10 dB
Stellen Sie die Grenzfrequenz mithilfe von $f_c = 1/(2\pi\sqrt{LC})$ $f_{c} = 1/ (2 π L C)$ ein, um die erforderliche Dämpfung bei Ihrer Worst-Case-Frequenz bereitzustellen
1. Wählen Sie Sicherheitskomponenten aus — X-Kondensatoren für DM, Y-Kondensatoren für CM, Gleichtaktdrosseln für CM-Induktivität
2. Achten Sie auf parasitäre Störungen — Kondensator-ESR, Induktor-SRF und PCB-Layout-Kopplung beeinträchtigen die reale Filterleistung
Der Unterschied zwischen einem Filter, der auf Papier funktioniert, und einem, der im Labor funktioniert, besteht fast immer darin, dass das Layout und die Komponenten parasitär sind. Beginnen Sie mit der Berechnung, überprüfen Sie die Daten mit dem EMI Filter LC Calculator und validieren Sie sie dann auf Geräten mit geeigneten Hochfrequenz-Messtechniken.