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EMC

Filtro LC para Emisiones Conducidas

Diseña un filtro LC para cumplir los límites de emisiones conducidas CISPR 22/FCC calculando los valores de L y C requeridos.

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Fórmula

f0=f/10(A/40),L=Z√(1/(2πf0)2/Z)f₀ = f / 10^(A/40), L = Z√(1/(2πf₀)²/Z)

Cómo Funciona

La calculadora de filtros de emisiones conducidas diseña filtros LC para cumplir con la norma CISPR 32/22, algo esencial para las fuentes de alimentación, los accionamientos de motor y cualquier producto conectado a buses de alimentación de corriente continua o corriente alterna. Los ingenieros de EMC utilizan esta tecnología para reducir el ruido de conmutación entre 20 y 40 dB por debajo de los límites reglamentarios (entre 66 y 56 dBuV de 150 kHz a 30 MHz).

Según lo establecido en EMC Engineering y CISPR 32 de Henry Ott, las emisiones conducidas se miden con una red de estabilización de impedancia de línea (LISN) que presenta una impedancia de 50 ohmios, de 150 kHz a 30 MHz. Las emisiones aparecen tanto en modo común (CM: L y N en fase con respecto a la Tierra) como en modo diferencial (DM: L opuesto a N). El SMPS típico produce emisiones de 70 a 90 dBuV; los límites de la clase B son 66 dBuV (150-500 kHz), 56 dBuV (0,5-5 MHz) y 60 dBuV (5-30 MHz).

Un filtro LC de segundo orden proporciona una atenuación de A = 40 x log10 (f/f0) dB por encima del límite f0 = 1/ (2 x pi x sqrt (L x C)). Para 20 dB a 150 kHz, f0 = 150/10^0,5 = 47 kHz. Por Ott, el margen de diseño debe ser de 6 a 10 dB para tener en cuenta la incertidumbre de medición (+/-6 dB, lo habitual en el caso de los requisitos previos a la conformidad) y las variaciones de producción.

Los condensadores X (de L a N) filtran el ruido en modo diferencial; los condensadores Y (de L/N a tierra) filtran el ruido en modo común. Según la norma IEC 60950/62368, la corriente de fuga total del condensador Y debe ser inferior a 3,5 mA para los equipos de clase I, lo que limita la capacitancia Y a aproximadamente 4,7 nF a una red de 50 Hz. Esta restricción de fugas hace que el filtrado en modo común sea más difícil que en el modo diferencial.

Ejemplo Resuelto

Problema: el escaneo previo a la conformidad muestra un SMPS con una emisión de DM de 82 dBuV a 200 kHz. Filtro de diseño para CISPR 32 de clase B (límite de 66 dBuV a 200 kHz). Supongamos un LISN de 50 ohmios.

Solución por Ott:

  1. Atenuación requerida: 82 - 66 = 16 dB, más un margen de 6 dB = 22 dB a 200 kHz
  2. Filtro de segundo orden: A = 40 x log10 (f/f0); 22 = 40 x log10 (200/f0)
  3. Resolver: f0 = 200/10^0.55 = 56 kHz
  4. Valores de los componentes para una coincidencia de 50 ohmios: L = 50/ (2 x pi x 56000) = 142 uH; utilice 150 uH
  5. C = 1/ (2 x pi x 56000 x 50) = 57 nF; utilice un condensador X2 de 68 nF
  6. Verifique: f0 = 1/ (2 x pi x sqrt (150e-6 x 68e-9)) = 50 kHz; A a 200 kHz = 40 x log10 (200/50) = 24 dB
  7. Inductor: 150 uH, i_SAT > 3A (para carga de 1 A con un margen de 2 veces), DCR < 0,2 ohmios
  8. Condensador: 68 nF X2 con clasificación de seguridad, 275 VAC para red de 230 V
BOM: inductor DM (Wurth 744771115, 150 UH/4 A), condensador X2 (EPCOS B32922, 68 nF/275 VAC). Costo: aproximadamente 1,50 dólares.

Consejos Prácticos

  • ✓Utilice módulos de filtro EMI disponibles en el mercado: incluyen condensadores X/Y y CMC con certificación de seguridad y cumplen con los límites de fugas UL/IEC. Los diseños personalizados requieren una certificación de seguridad (retraso de 6 a 12 meses). Costo del módulo: entre 5 y 20 dólares.
  • ✓Coloque el filtro en la entrada de alimentación antes de cualquier cableado interno; el ruido en los cables internos puede reproducirse más allá del filtro. Según Ott, el filtro debe estar a 20 mm de la entrada IEC o del conector de alimentación.
  • ✓Mida las emisiones con un filtro instalado para detectar resonancias: el filtro LC Q puede crear picos en f0 y empeorar las emisiones en frecuencias específicas. Agregue una resistencia de amortiguación (R aproximadamente sqrt (L/C)/3) si Q > 5.

Errores Comunes

  • ✗Uso de condensadores electrolíticos: la ESR (0,1-1 ohmios) y la ESL (5-20 nH) limitan el rendimiento de la HF. Por Ott, utilice condensadores de película X2 (ESR <10 mohm) para filtros de red o MLCC para aplicaciones de corriente continua. Los electrolíticos solo son útiles para el almacenamiento masivo por debajo de 10 kHz.
  • ✗Diseño para alcanzar el límite CISPR exacto sin margen: la incertidumbre de medición es de +/-6 dB para el cumplimiento previo y de +/-3 dB para un laboratorio acreditado. Según la norma CISPR 16-4-2, añada un margen mínimo de 6 dB para garantizar que las unidades de producción aprueben. La temperatura y el envejecimiento añaden otra variación de 2 a 3 dB.
  • ✗Ignorar la separación entre DM y CM: las emisiones conducidas tienen ambos componentes; un filtro LC solo aborda la DM. Para cada Ott, mida el CM y el DM por separado utilizando sondas de corriente o un separador CM/DM. Se necesita un CMC para el ruido CM, incluso con un filtro DM perfecto.

Preguntas Frecuentes

Según IEC 60384-14: los condensadores X conectan L a N (filtrado en modo diferencial), con una potencia nominal de 275-400 VCA, abiertos a prueba de fallos. La clase X2 es la más común para los productos de consumo. Los condensadores en Y conectan L o N a tierra o al chasis (filtrado de modo común), con un límite de <4,7 nF en total para mantener una corriente de fuga inferior a 3,5 mA según la norma IEC 60950/62368. Clase Y1 para aislamiento doble, Y2 para aislamiento básico.
Depende de la categoría del producto y del mercado. CISPR 32/EN 55032: equipo informático/multimedia. CISPR 11/EN 55011: industrial/científico/médico. CISPR 25: componentes de automoción. Clase B de la Parte 15 de la FCC: productos de consumo en EE. UU. Dispositivos médicos: IEC 60601-1-2 (referencias CISPR 11). Todos utilizan límites similares (66-56 dBuV) y un método de medición LISN.
No, la CMC solo aborda el ruido en modo común. Según Ott, el SMPS típico produce tanto ruido CM como DM; el DM suele dominar en las frecuencias más bajas (150-500 kHz) y el CM en las frecuencias más altas (1-30 MHz). El filtro completo requiere CMC para CM, además de condensadores X para DM. Los condensadores Y complementan el filtrado CM a altas frecuencias en las que se evita la inductancia CMC.
Según CISPR 16-1-2: (1) Utilice una red de separadores CM/DM entre el LISN y el analizador de espectro; (2) Utilice sondas de corriente: CM aparece como la suma de las corrientes L y N, DM como diferencia; (3) Si agregar un condensador X reduce las emisiones, DM domina; si agregar CMC reduce las emisiones, CM domina. La mayoría de los productos tienen ambos: pruebe cada elemento filtrante por separado.
Según las directrices de Wurth/Coilcraft: i_SAT > 2 veces la corriente de carga RMS para un funcionamiento continuo. Para cargas pulsadas (accionamientos de motor, arranque mediante SMPS), i_SAT > corriente máxima. La saturación provoca una caída de inductancia del 50 al 80%, desplazando el filtro f0 hacia arriba y reduciendo la atenuación entre 10 y 20 dB. En i_SAT, la inductancia cae hasta aproximadamente el 70% del valor nominal; seleccione un margen de 1,5 veces en la clasificación i_SAT.

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