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EMC

Gegentakt-EMI-Filter

Entwirft einen Gegentakt-LC-EMI-Filter: berechnet Grenzfrequenz, Dämpfung und Wellenwiderstand für SMPS-Ausgangsfilterung.

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Formel

f₀ = 1/(2π√L_DM C_DM)

Wie es funktioniert

Ein Differenzmodus-EMI-Filter (DM) ist ein LC-Tiefpassfilter, der Differenzmodusrauschen dämpft — Rauschen, das symmetrisch in entgegengesetzte Richtungen auf den beiden Stromleitern (Leitung und Neutralleiter) fließt. Bei SMPS-Ausgangsfiltern entsteht das Differenzmodusrauschen durch den Rippelstrom beim Schalten. Der Filter verwendet eine Reiheninduktivität L und einen Shuntkondensator C: f= 1/ (2§√Lc), wobei die Dämpfung A = −40·log( f/f) dB über fliegt. Die charakteristische Impedanz Zob = √ (L/C) sollte an die Quell-/Lastimpedanz angepasst werden, um eine maximale Energieübertragungseffizienz und minimale Reflexionen zu erzielen. Bei leitungsgebundenen CISPR-Emissionen muss der Filter bei 150 kHz und darüber eine ausreichende Dämpfung bieten. Die gleiche LC-Struktur wird sowohl für SMPS-Ausgangsrippelfilter als auch für EMI-Filter am Netzeingang verwendet.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Entwerfen Sie einen Differenzmodusfilter mit einer Eckfrequenz von 50 kHz für eine 50-Ω-Last. Welche Dämpfung bietet er bei 150 kHz? Lösung: 1. Nehmen wir an, L = 47 μH und C = 0,47 μF: 2. fφ = 1/ (2δ√ (47×10× 0,47×10)) = 1/ (2π × 4,70×10) = 1/ (2,95×10) = 33,8 kHz 3. Dämpfung bei 150 kHz: Frequenzverhältnis = 150/33,8 = 4,44; A = −40·log( 4,44) = −40 × 0,647 = −25,9 dB 4. Charakteristische Impedanz: Z♦ = √ (47×10/0,47×10) = √100 = 10 Ω Ergebnis: Der Filter liefert −26 dB bei 150 kHz mit einer charakteristischen Impedanz von 10 Ω. Bei einem 50-Ω-System kann eine zusätzliche Dämpfung erforderlich sein, um Resonanzspitzen bei 33,8 kHz zu verhindern.

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie eine β-Filtertopologie (C-L-C) für die Differenzmodusfilterung, wenn bei der niedrigsten Problemfrequenz eine Dämpfung von mehr als 40 dB erforderlich ist.
  • ✓Fügen Sie einen kleinen Dämpfungswiderstand (R ≈ Z/5) in Reihe mit einem zweiten Kondensator über dem Hauptfilterkondensator hinzu, um Resonanzspitzen zu verhindern.
  • ✓Messen Sie die leitungsgebundenen Emissionen nach der Installation des Filters, um sicherzustellen, dass er keine Resonanzen erzeugt, die die Emissionen bei bestimmten Frequenzen verschlechtern.

Häufige Fehler

  • ✗Verwirrende Differentialmodus- und Gleichtaktfilter — ein DM-Filter adressiert nur Rauschen zwischen L und N; für Gleichtaktgeräusche von L/N bis PE wird ein CMC benötigt.
  • ✗Wenn C ohne Sicherheitszertifizierung zu groß gewählt wird — X2-Kondensatoren für den Netzbetrieb müssen der IEC/UL-Sicherheitsklasse entsprechen; herkömmliche Keramikkondensatoren sind nicht netztauglich.
  • ✗Ignoriert den Sättigungsstrom der Serieninduktivität — bei SMPS-Anwendungen muss der Induktor den vollen Laststrom plus Spitzenwelligkeitsstrom ohne Sättigung verarbeiten.

Häufig gestellte Fragen

Ein DM-Filter (Induktor und Kondensator) dämpft Geräusche, die zwischen den beiden Stromleitern mit gleichen und entgegengesetzten Strömen auftreten. Eine Gleichtaktdrossel weist eine hohe Impedanz gegen Geräusche auf, die auf beiden Leitern gleichzeitig in die gleiche Richtung fließen. Für eine vollständige leitungsgebundene Emissionsunterdrückung ist in der Regel beides erforderlich.
Für CISPR-geleitete Emissionen, die bei 150 kHz beginnen, beträgt die Filter-Eckfrequenz typischerweise 20—50 kHz, was eine Dämpfung von 20—30 dB bei 150 kHz ergibt. Der genaue Wert hängt vom Pegel des SMPS im Differenzmodus ab.
Ja — das wird in der Praxis gemacht. Eine Gleichtaktdrossel weist eine hohe Impedanz gegenüber Gleichtaktströmen auf und leitet Gegentaktströme mit nur einer geringen Streuinduktivität weiter. Die Streuinduktivität fungiert als Differenztaktinduktivität und sorgt für eine teilweise DM-Filterung. In vielen Ausführungen ist die CMC-Streuinduktivität bewusst so ausgelegt, dass sie eine bestimmte DM-Induktivität bietet.

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