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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(∣100Ω+RDC+jZ∣/100Ω)(50Ωsource,50Ωload,CISPR17)Z = 2π × f × L, IL = 20·log₁₀(|100 Ω + R_DC + jZ| / 100 Ω) (50 Ω source, 50 Ω load, CISPR 17)

Referencia: CISPR 17; Paul, Introduction to Electromagnetic Compatibility, 2nd ed.

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 y USB/Ethernet. 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).

Esta calculadora obtiene la pérdida de inserción en el sistema de prueba de CISPR 17, con fuente de 50 ohmios y carga de 50 ohmios: el choke en serie suma su impedancia Z = DCR + j x 2 x pi x f x L al lazo de 100 ohmios, de modo que IL = 20 x log10(|100 + DCR + jX| / 100). La reactancia se suma a la resistencia del lazo como fasor, no aritméticamente: X = 100 ohmios da 3,01 dB, y la reactancia de 942 ohmios de 1 mH a 150 kHz da 19,5 dB. En un producto, la fuente y la carga son una LISN y la impedancia de modo común del cable, por lo que la atenuación en el circuito difiere de esta cifra. El CISPR 32 de clase B normalmente requiere una atenuación CM de 15 a 25 dB a 150 kHz, que en este sistema se logra con una CMC de 0,7 a 2 mH.

Factor QQ = 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) suprimen 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 una CMC para un puerto USB 2.0 que muestra un ruido CM de 75 dBuV a 150 kHz frente al límite CISPR 32 de 66 dBuV. La pérdida de inserción se toma en el sistema de prueba de CISPR 17: fuente de 50 ohmios, carga de 50 ohmios.

Solución según Ott:

  1. Atenuación requerida: 75 - 66 + 6 dB de margen = 15 dB a 150 kHz
  2. IL = 20 x log10(|100 + jX|/100) sin DCR; 15 dB requieren |100 + jX| = 100 x 10^0,75 = 562 ohmios, así que X = sqrt(562^2 - 100^2) = 553 ohmios
  3. Inductancia requerida: L = X/(2 x pi x f) = 553/(2 x pi x 150000) = 587 uH; utilice un valor estándar de 680 uH
  4. Verifique la IL: X a 150 kHz = 2 x pi x 150000 x 680e-6 = 641 ohmios; IL = 20 x log10(|100 + j641|/100) = 16,2 dB (cumple con el requisito de 15 dB)
  5. Las señales diferenciales solo ven la inductancia de fuga, que esta calculadora no modela; compruébela con la curva de impedancia en modo diferencial de la hoja de datos a 240 MHz, la fundamental de USB 2.0 de alta velocidad

Seleccione: la Wurth 744272102 (1 mH, 1 A, DCR de 0,3 ohmios, apta para USB) proporciona 19,5 dB a 150 kHz en este sistema.

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 según 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 según el USB-IF: (1) Impedancia diferencial < 3 ohmios a frecuencias de 5 Gbps (fundamental de 2,5 GHz); (2) impedancia CM > 100 ohmios a 30-200 MHz (banda problemática 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 = (obligatorio Z_CM) / (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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