What is the difference between common-mode and differential-mode EMI?

Differential-mode noise flows in opposite directions on the line and neutral conductors and is caused by the pulsating current drawn by switching converters. Common-mode noise flows in the same direction on both conductors and returns through earth ground, caused by parasitic capacitances to chassis. DM noise typically dominates below 1-2 MHz, while CM noise dominates above 2 MHz.

How much attenuation does a single-stage LC EMI filter provide?

A single-stage LC low-pass filter provides 40 dB per decade of attenuation above its cutoff frequency (equivalent to 12 dB per octave or second-order rolloff). Adding a second LC stage doubles this to 80 dB per decade. The cutoff frequency is determined by the inductance and capacitance values: fc = 1/(2*pi*sqrt(LC)).

What are X and Y capacitors in EMI filters?

X capacitors connect between line and neutral to suppress differential-mode noise, with typical values from 100 nF to 2.2 uF. Y capacitors connect from line or neutral to earth ground to suppress common-mode noise, with values limited to approximately 4.7-47 nF due to safety leakage current requirements. Both types are safety-rated to withstand specific voltage and surge conditions.

What CISPR 32 conducted emissions limits apply to consumer products?

Consumer products must meet CISPR 32 Class B limits, which are the stricter of the two classes. At 150 kHz, the quasi-peak limit is 66 dBuV and the average limit is 56 dBuV. Limits decrease with frequency, dropping roughly 13 dB between 150-500 kHz, then holding relatively flat from 500 kHz to 5 MHz. Class B is 13 dB tighter than Class A (industrial) limits.

EMC / Compliance11 de abril de 202610 min de lectura

Diseño de filtros EMI: cálculos de filtros LC para cumplir con CISPR

Diseñe filtros EMI para cumplir con las emisiones conducidas. Incluye la selección de la topología de los filtros LC, el cálculo de la frecuencia de corte, el filtrado en modo común frente al modo diferencial y los límites del CISPR 32.

Contenido

El problema de las emisiones conducidas
Comprender los límites de CISPR
Ruido en modo diferencial frente a ruido en modo común
Fundamentos del filtro LC
Selección de componentes para filtros EMI
Inductores
Condensadores
Topologías de filtros multietapa
Consejos prácticos de diseño que triunfan o arruinan tu filtro
Resumen

El problema de las emisiones conducidas

Has creado una fuente de alimentación con modo conmutador que funciona a la perfección en la oficina. Se regula perfectamente, la eficiencia es excelente y el rendimiento térmico es sólido. Luego lo llevas al laboratorio de EMC y reduce las emisiones conducidas en 15 dB a 300 kHz. Bienvenido al club.

Las emisiones conducidas son las corrientes de ruido que su producto devuelve a las líneas de alimentación de corriente alterna o continua. Todos los convertidores de conmutación, controladores de motores, controladores LED y circuitos digitales generan un ruido de alta frecuencia que regresa a través del cable de alimentación y puede interferir con otros equipos de la misma red. Esta es la razón por la que todos los países del mundo regulan las emisiones conducidas, y por eso el diseño de filtros EMI es una habilidad fundamental para cualquier ingeniero de electrónica de potencia.

La buena noticia es que los filtros LC son extraordinariamente eficaces a la hora de suprimir las emisiones conducidas una vez que comprendes la física. La mala noticia es que obtener los valores correctos de los componentes y la topología requiere más reflexión de la que dedican la mayoría de los ingenieros. Utilice la calculadora EMI Filter LC para repetir rápidamente los diseños de los filtros a medida que analizamos los conceptos.

Comprender los límites de CISPR

El CISPR 32 (que sustituyó al CISPR 22) define los límites de emisión conducida de 150 kHz a 30 MHz. Hay dos clases de límites:

Clase	Medio ambiente	Límite de cuasipico (150 kHz)	Límite promedio (150 kHz)
A	Industrial	79 dB $\mu$ V	66 dB $\mu$ V
B	Residencial	66 dB $\mu$ V	56 dB $\mu$ V

Los límites disminuyen a medida que aumenta la frecuencia: disminuyen aproximadamente 13 dB entre 150 kHz y 500 kHz, luego se mantienen relativamente planos de 500 kHz a 5 MHz y disminuyen otros 10 dB de 5 a 30 MHz.

La clase B es la que más duele. Los productos de consumo, los equipos de TI y todo lo que se utilice en un entorno residencial deben cumplir con la clase B. Es decir, 13 dB más que la clase A en general. Muchos ingenieros diseñan con arreglo a la clase B, incluso para productos industriales, porque obtener la marca de clase B abre más mercados.

La subparte B de la Parte 15 de la FCC tiene límites similares, pero utiliza la metodología CISPR 22. Si apruebas la clase B del CISPR 32, es casi seguro que aprobarás la FCC.

Ruido en modo diferencial frente a ruido en modo común

Este es el concepto más importante en el diseño de filtros EMI, y equivocarse es la razón principal por la que los filtros no funcionan como se espera.

El ruido en modo diferencial (DM) ** fluye en direcciones opuestas en los conductores de línea y neutros. Es causado por la corriente pulsante consumida por el propio convertidor de conmutación. Un convertidor reductor que corta la corriente a 500 kHz produce armónicos DM potentes a 500 kHz, 1 MHz, 1,5 MHz, etc.

El ruido en modo común (CM) fluye en la misma dirección tanto en la línea lineal como en el neutro, y regresa a través de la tierra. Su causa son las capacitancias parásitas que pasan de los nodos de conmutación a la masa del chasis: la capacitancia entre el disipador de calor y el MOSFET, la capacitancia entre los transformadores y el acoplamiento parásito de las placas de circuito impreso.

La idea clave: El ruido DM domina por debajo de 1 a 2 MHz, mientras que el ruido CM domina por encima de los 2 MHz. Esta generalización es válida para la mayoría de los convertidores de modo conmutador y le indica dónde concentrar el esfuerzo de filtrado en cada frecuencia.

Medición de la división: utilice una LISN (red de estabilización de impedancia de línea) en cada línea y, a continuación, calcule: $V_{DM} = (V_L - V_N)/2$ y $V_{CM} = (V_L + V_N)/2$ . Algunos receptores de EMC tienen una red de discriminación CM/DM que lo hace automáticamente.

Fundamentos del filtro LC

Un filtro LC de paso bajo básico proporciona una atenuación de 40 dB/década por encima de su frecuencia de corte. Esto equivale a 12 dB por octava, o aproximadamente 40 dB de atenuación por cada década que supere el límite. La frecuencia de corte es:

f_c = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}

En el caso de un filtro LC de una etapa, la pérdida de inserción a una frecuencia

f

muy por encima del punto de corte es aproximadamente:

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

Procedimiento de diseño:

Mida (o calcule) sus emisiones conducidas sin filtrar
Compare con el límite aplicable
Determine la atenuación requerida en la frecuencia más desfavorable
Agregue de 6 a 10 dB de margen (los componentes se degradan, los parásitos se comen el rendimiento)
Elija $f_c$ para proporcionar la atenuación necesaria
Selecciona los valores L y C para alcanzar ese $f_c$ ### Ejemplo resuelto

Su conversor Buck de 100 kHz muestra 85 dB

\mu

V a 300 kHz en el LISN. El límite de cuasipico del CISPR 32 de clase B a 300 kHz es de aproximadamente 60 dB

\mu

V. Necesita:

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

El ruido es de 300 kHz y la frecuencia de conmutación es de 100 kHz, por lo que es mejor que el filtro se corte muy por debajo de los 300 kHz. Para 31 dB a 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}

Por lo tanto, necesita un filtro LC con un límite de alrededor de 50 kHz. Elijamos el

C = 1\,\mu

F (un valor de condensador de seguridad X2 estándar):

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}

Un inductor de 10 mH en modo común o en modo diferencial, combinado con un condensador de 1

\mu

F, le proporciona el filtrado que necesita. Compruébelo con la calculadora LC con filtro EMI.

Selección de componentes para filtros EMI

Inductores

Los estranguladores de modo común se enrollan con líneas y neutrales en el mismo núcleo, con bobinas opuestas. La corriente de carga normal (modo diferencial) se cancela en el núcleo, por lo que el inductor no se satura bajo carga. Solo las corrientes de modo común ven la inductancia completa. Valores típicos: de 1 a 47 mH para los filtros de red. Materiales del núcleo: nanocristalino (mejor rendimiento de banda ancha), ferrita de MnZn (buena hasta 1 MHz), ferrita de NiZn (buena por encima de 1 MHz). Los inductores de modo diferencial deben transportar la corriente a plena carga sin saturarse. Esto limita el valor de inductancia para un tamaño de núcleo determinado. Valores típicos: 10-1000

\mu

H. Los núcleos de hierro en polvo son comunes porque tienen una característica de saturación suave.

Un truco práctico: la impedancia del inductor tiene una frecuencia de autorresonancia (SRF) por encima de la cual el componente se vuelve capacitivo y deja de filtrarse. Compruebe siempre que el SRF esté por encima de la frecuencia más alta que le preocupa.

Condensadores

Los condensadores X** van entre la línea y el neutro (a través de la red eléctrica). Suprimen el ruido en modo diferencial. Clasificación de seguridad X1, X2 o X3 según los requisitos de voltaje y sobretensión. Valores típicos: de 100 nF a 2.2 $\mu$ F. X2 es la clasificación más común para los productos de consumo.

Los condensadores Y van de línea o neutro a tierra. Suprimen el ruido del modo común. Clasificaciones de seguridad Y1, Y2, Y3, Y4: los números indican la resistencia a la tensión de impulso. El Y2 es típico de la electrónica de consumo. Los límites de corriente de fuga restringen los valores de los condensadores en Y a aproximadamente 4,7 nF para equipos médicos y de 10 a 47 nF para productos comerciales. Si se superan estos valores, se corre el riesgo de no pasar la prueba de seguridad de corriente táctil (fuga).

Para obtener un análisis más detallado de cómo el blindaje complementa el filtrado en una estrategia completa de EMC, consulte la calculadora de eficacia del blindaje de cables.

Topologías de filtros multietapa

Un filtro LC de una etapa proporciona 40 dB/década. ¿Necesitas más? Añada otro escenario para 80 dB/década:

f_c = \frac{1}{2\pi\sqrt[4]{L_1 C_1 L_2 C_2}}

Topologías comunes para los filtros EMI de red de corriente alterna, desde los más simples hasta los más efectivos:

Solo C: solo condensadores X e Y. Solución rápida, atenuación limitada. Apto para 10-15 dB.
LC (sección pi) : un inductor más condensadores. La topología más poderosa. Apto para 30-50 dB.
CLC (Pi-LC) — condensador-inductor-condensador. Añade otros 20 dB sin aumentar mucho el tamaño.
LCLC (dos etapas) : dos etapas de inductor-condensador. Disminución de 80 dB/década. Se usa cuando se necesita una atenuación importante.

Cada etapa adicional aumenta el costo de los componentes y el espacio de la placa, pero aumenta drásticamente la atenuación de alta frecuencia. Para la mayoría de los productos, basta con un filtro de una sola etapa bien diseñado con un estrangulador de modo común, condensadores X e Y.

Consejos prácticos de diseño que triunfan o arruinan tu filtro

Mantenga la entrada y la salida separadas. El error más común de diseño de filtros es ejecutar las trazas de entrada sin filtrar cerca de las trazas de salida filtradas. El acoplamiento capacitivo e inductivo entre ellos puede evitar por completo el filtro y destruir más de 20 dB de rendimiento. Los condensadores en Y conectados a tierra a un punto de tierra de baja impedancia. Las líneas o cables largos que van de los condensadores en Y a la toma de tierra del chasis añaden inductancia, lo que reduce el filtrado en modo común a altas frecuencias. Utilice pistas cortas y anchas directamente a un tornillo de tierra del chasis o a un clip de resorte. Coloque el filtro en el punto de entrada de alimentación. El filtro debe ser lo primero que vea la conexión a la red, antes que cualquier rastro de PCB que pueda irradiar. Muchos productos montan el filtro en el propio módulo de entrada de alimentación. Utilice un plano de tierra debajo del filtro. Si el filtro EMI está en la PCB principal, un plano de tierra sólido situado en la parte inferior reduce el acoplamiento parásito y proporciona una ruta de retorno para las corrientes en modo común.

El diseñador de filtros de emisiones conducidas le ayuda a modelar filtros multietapa y a verificar que los valores de sus componentes proporcionan la atenuación requerida en todo el rango de frecuencias del CISPR.

Resumen

El diseño de un filtro EMI eficaz para cumplir con las normas de emisiones conducidas sigue un proceso lógico:

**Ruido DM y CM separados: requieren diferentes topologías y componentes de filtro
Calcule la atenuación requerida a partir de las emisiones medidas menos el límite, más un margen de 6 a 10 dB
Configure la frecuencia de corte utilizando $f_c = 1/(2\pi\sqrt{LC})$ $f_{c} = 1/ (2 π L C)$ para proporcionar la atenuación necesaria en la frecuencia más desfavorable
1. Seleccione componentes con clasificación de seguridad: condensadores X para DM, condensadores Y para CM, choques de modo común para inductancia CM
2. Tenga cuidado con los parásitos: los acoplamientos del ESR del condensador, el SRF del inductor y el diseño de la PCB degradan el rendimiento de los filtros en el mundo real
La diferencia entre un filtro que funciona en papel y uno que funciona en el laboratorio es casi siempre la presencia de parásitos en su diseño y sus componentes. Comience con los cálculos, verifique con la calculadora EMI Filter LC y, a continuación, valide en el hardware con las técnicas de medición de alta frecuencia adecuadas.