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EMC

Impedancia de Bobina de Modo Común

Calcula la impedancia, pérdida de inserción y factor Q de una bobina de modo común para diseño de filtros EMC.

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Fórmula

Z=2π×f×L,IL=20⋅log10((Z+50)/50)Z = 2π × f × L, IL = 20·log₁₀((Z+50)/50)
L— Inductancia (H)
f— Frecuencia (Hz)

Cómo Funciona

La calculadora de estrangulamiento de modo común calcula la impedancia y la pérdida de inserción para el filtrado de señales diferenciales y líneas de alimentación, algo esencial para el cumplimiento de las normas de emisiones conducidas por CISPR 32, el diseño de filtros de red y USB/Ethernet EMC. Los ingenieros de EMC utilizan esta tecnología para lograr una atenuación en modo común de 20 a 40 dB y, al mismo tiempo, transmitir señales diferenciales con una pérdida inferior a 1 dB.

Según el libro «EMC Engineering» de Henry Ott, un CMC es un inductor de doble bobina en el que las corrientes diferenciales (igual magnitud, dirección opuesta) producen una cancelación del flujo magnético, lo que presenta una impedancia cercana a cero para la señal deseada. Las corrientes de modo común (en la misma dirección en ambos conductores) muestran la inductancia L completa, que presenta una impedancia Z_CM = 2 x pi x f x L. Una CMC de 1 mH proporciona una impedancia de 942 ohmios a 150 kHz (límite inferior CISPR).

Pérdida de inserción IL = 20 x log10 (Z_CM/(Z_CM + Z_load)). Para Z_CM >> Z_load: IL se aproxima a 20 x log10 (Z_cm/Z_load). Un CMC de 1000 ohmios en un sistema de 50 ohmios proporciona IL = 20 x log10 (1000/50) = 26 dB. El CISPR 32 de clase B normalmente requiere una atenuación CM de 15 a 25 dB a 150 kHz, lo que se puede lograr con una CMC de 0,5 a 2 mH.

El factor Q = Z_CM/DCR indica pérdida frente a reactividad. Los CMC con Q alto (Q > 50) son reactivos y pueden resonar con la capacitancia del cable; los CMC con Q bajo (Q < 10, con ferrita con pérdidas) eliminan la banda ancha sin problemas de resonancia. Según las notas de aplicación de Wurth, los CMC de línea eléctrica utilizan ferrita con pérdidas; los CMC de línea de señal utilizan ferrita de alta permeabilidad y bajas pérdidas para reducir al mínimo la atenuación en modo diferencial.

Ejemplo Resuelto

Problema: seleccione CMC para el puerto USB 2.0 que muestra un ruido CM de 75 dBuV a 150 kHz frente al límite CISPR 32 de 66 dBuV. Impedancia de carga de 90 ohmios (diferencial USB).

Solución por Ott:

  1. Atenuación requerida: 75 - 66 + 6 dB de margen = 15 dB a 150 kHz
  2. IL = 20 x log10 (Z_cm/Z_load) para Z_CM >> Z_load; 15 = 20 x log10 (Z_CM/90); Z_CM = 90 x 10^0.75 = 506 ohmios
  3. Inductancia requerida: L = Z_CM/ (2 x pi x f) = 506/ (2 x pi x 150000) = 537 uH; utilice un valor estándar de 680 uH
  4. Verifique la IL: Z_CM a 150 kHz = 2 x pi x 150000 x 680e-6 = 641 ohmios; IL = 20 x log10 (641/90) = 17 dB (cumple con el requisito de 15 dB)
  5. Compruebe la atenuación diferencial: inductancia de fuga de aproximadamente el 2% = 13,6 uH; z_diff = 2 x pi x 480e6 x 13,6e-6 = 41 ohmios a 480 MHz (USB 2.0)
  6. IP diferencial: 20 x log10 ((90+41) /90) = 1,7 dB, aceptable para el margen ocular de USB 2.0
Seleccione: Wurth 744272102 (1 mH, 1 A, DCR de 0,3 ohmios, con clasificación USB) proporciona 20 dB a 150 kHz con una pérdida diferencial de <2 dB.

Consejos Prácticos

  • ✓Coloque el CMC a menos de 10 mm del conector: las corrientes CM entran por el punto de conexión del cable; si coloca el CMC lejos del conector, el ruido se irradia desde el cableado interno antes de filtrarlo, según Johnson/Graham.
  • ✓Para USB 3.0 SuperSpeed (5 Gbps): seleccione una CMC con una impedancia diferencial de <3 ohmios a 2,5 GHz para evitar que se cierren los ojos; las CMC de línea eléctrica estándar tienen una pérdida diferencial excesiva según la guía de diseño de USB-IF.
  • ✓Agregue condensadores en Y paralelos (1-4,7 nF) a tierra en ambos lados de la CMC: los condensadores proporcionan una ruta CM de baja impedancia a altas frecuencias, donde la capacitancia parásita elude la inductancia de la CMC.

Errores Comunes

  • ✗Al utilizar una impedancia de hoja de datos de 100 MHz para extrapolar a 150 kHz, la permeabilidad de la ferrita varía 10 veces en todo el rango de frecuencias. Según Wurth, la curva de impedancia frente a frecuencia es esencial; una CMC con 2000 ohmios a 100 MHz puede tener solo 200 ohmios a 150 kHz.
  • ✗Haciendo caso omiso de la caída de tensión del DCR: un CMC DCR de 1 ohmio con una carga de 5 A reduce 5 V, lo que es inaceptable para una alimentación USB de 5 V. Según las directrices de TDK, seleccione un DCR inferior al 2% de la tensión de alimentación dividida por la corriente de carga.
  • ✗Núcleo saturado con polarización de corriente continua: la inductancia de la CMC cae entre un 30 y un 50% a una corriente continua nominal. Para una carga de 2 A, seleccione CMC con una clasificación superior a 3 A para mantener la inductancia especificada según las curvas de saturación de Murata.

Preguntas Frecuentes

El CMC tiene dos devanados acoplados: las corrientes diferenciales se cancelan (baja impedancia a la señal) y las corrientes CM se suman (alta impedancia al ruido). El cordón de ferrita es de una sola bobina: atenúa por igual tanto el modo diferencial como el modo común. Utilice CMC en pares diferenciales (USB, Ethernet, líneas de alimentación); utilice perlas de ferrita en señales de un solo extremo y rieles de suministro, según la ingeniería de EMC de Ott.
Dos mecanismos por TDK: (1) la permeabilidad de la ferrita cae por encima de la frecuencia característica del material (normalmente de 10 a 100 MHz), lo que reduce la inductancia; (2) la capacitancia entre bobinados (de 1 a 10 pF) crea una ruta de derivación que acorta las corrientes CM alrededor de la inductancia. La impedancia CMC alcanza su punto máximo a la frecuencia autorresonante y luego disminuye. Verifique siempre la impedancia en la frecuencia problemática más alta.
Sí, pero seleccione cuidadosamente por USB-IF: (1) Impedancia diferencial de 100 <3 ohm at 5 Gbps frequencies (2.5 GHz fundamental); (2) CM impedance > ohmios a 30-200 MHz (banda con problemas de EMC); (3) Baja capacitancia (<0,5 pF) para evitar desajustes de impedancia. Los CMC USB 3.0 dedicados (por ejemplo, la serie TDK ACM) están diseñados para esta aplicación.
Depende del nivel de ruido y de la impedancia de carga. Regla empírica: 0,5-2 mH para los filtros EMI de red (proporcionan entre 500 y 2000 ohmios a 150 kHz); 100-500 uH para las líneas eléctricas de corriente continua; 10-100 uH para las líneas de señal. Calcula: L = (Z_CM requerido)/(2 x pi x 150000). Agregue un margen del 50% para la producción y la variación de temperatura.
El sentido del bobinado debe ser correcto: ambos bobinados deben estar enrollados en la misma dirección para que las corrientes diferenciales se cancelen. La polaridad incorrecta del bobinado hace que el CMC actúe como un inductor en modo diferencial, atenuando la señal deseada en lugar del ruido CM. Según las hojas de datos de Wurth, siga la convención de puntos que muestra la polaridad correcta. El intercambio de las conexiones L y N en una CMC correctamente enrollada no afecta al rendimiento.

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