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EMC

Filtro EMI de Modo Diferencial

Diseña un filtro LC EMI de modo diferencial: calcula frecuencia de corte, atenuación e impedancia característica para filtrado de salida SMPS.

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Fórmula

f0=1/(2π√LDMCDM)f₀ = 1/(2π√L_DM C_DM)

Cómo Funciona

La calculadora de filtros de modo diferencial diseña filtros de paso bajo LC para el filtrado EMI de entrada de red y ondulación de la salida SMPS, algo esencial para cumplir con las normas de emisiones conducidas por CISPR 32 y para el suministro de energía limpia a cargas sensibles. Los ingenieros de electrónica de potencia utilizan esta tecnología para lograr una atenuación en modo diferencial de 20 a 40 dB a frecuencias de conmutación y, al mismo tiempo, mantener una conversión de potencia estable.

Según el libro «EMC Engineering» de Henry Ott, el ruido en modo diferencial (DM) fluye simétricamente entre los conductores L y N (o rieles de alimentación + y -), a diferencia del ruido en modo común, que fluye en la misma dirección en ambos conductores. Un filtro de paso bajo 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)). La impedancia característica Z0 = sqrt (L/C) debe coincidir con la impedancia fuente/carga para lograr una reflexión mínima.

Según el CISPR 32, las emisiones conducidas se miden entre 150 kHz y 30 MHz utilizando un LISN con una impedancia de 50 ohmios. El SMPS típico produce un ruido DM de 60 a 90 dBuV en armónicos de frecuencia de conmutación; los límites de la clase B son de 66 a 56 dBuV. Por lo tanto, la atenuación requerida es de 20 a 35 dB a 150 kHz, y aumenta a frecuencias más altas, donde los límites son más estrictos.

En el caso de la topología de filtros PI (C-L-C), la atenuación es 60 dB/década por encima del límite, es decir, 20 dB mejor que la LC de una sola etapa. Según Ott, se prefieren los filtros PI cuando se requiere una atenuación superior a 40 dB, pero requieren una amortiguación cuidadosa para evitar picos de resonancia. Los filtros en T (L-C-L) proporcionan la misma atenuación con una mejor impedancia de salida para las cargas de fuente de voltaje.

Ejemplo Resuelto

Problema: Diseñe un filtro DM para SMPS de 100 kHz que muestre emisiones de 80 dBuV a 150 kHz fundamentales. El límite del CISPR 32 de clase B es de 66 dBuV. Referencia LISN de 50 ohmios.

Solución por Ott:

  1. Atenuación requerida a 150 kHz: 80 - 66 + 6 dB de margen = 20 dB
  2. Para LC de segundo orden: A = 40 x log10 (f/f0); 20 = 40 x log10 (150/f0)
  3. Resolver: f0 = 150/10^0.5 = 47 kHz
  4. Haga coincidir con 50 ohmios: L = 50/ (2 x pi x 47000) = 169 uH; utilice 180 uH
  5. C = 1/ (2 x pi x 47000 x 50) = 68 nF; utilice un condensador X2 de 68 nF
  6. Verifica: f0 = 1/ (2 x pi x sqrt (180e-6 x 68e-9)) = 45,5 kHz; A a 150 kHz = 40 x log10 (150/45,5) = 21 dB
  7. Requisitos del inductor: i_SAT > 2 veces la corriente de carga (p. ej., una carga de 3 A necesita 6 A sat); DCR < 100 mohm para una pérdida de eficiencia de menos del 2%
Componentes: inductor de 180 uH (Wurth 744771118), condensador de película X2 de 68 nF. Para obtener un margen adicional, actualice a un filtro PI (añada un segundo condensador de 68 nF en la salida).

Consejos Prácticos

  • ✓Utilice el filtro PI (C-L-C) cuando necesite una atenuación superior a 40 dB: por Ott, el filtro PI alcanza una reducción de 60 dB/década frente a los 40 dB/década de una sola etapa LC. Es fundamental para los SMPS con altas ondulaciones o cargas descendentes sensibles.
  • ✓Agregue una resistencia de amortiguación si el filtro Q > 5 — por Ott, los filtros LC no amortiguados pueden tener un pico de resonancia de 10 a 20 dB a f0, lo que empeora las emisiones a esa frecuencia. Añada R aproximadamente Z0/3 en serie con un condensador de salida para amortiguar la resonancia.
  • ✓Mida con un filtro para verificar que no haya resonancias: según Ott, las resonancias de los filtros pueden crear nuevos picos de emisión que no están presentes sin el filtro. Escanee toda la banda CISPR (150 kHz - 30 MHz) después de añadir el filtro para comprobar que no hay consecuencias imprevistas.

Errores Comunes

  • ✗Filtrado DM y CM confuso: por Ott, el filtro DM (LC entre L y N) solo aborda el ruido que fluye de manera diferente. El ruido en modo común (L y N en fase con conexión a tierra) requiere condensadores CMC más Y. El filtro EMI completo aborda ambos problemas; el filtro solo para DM no pasa las pruebas de CM.
  • ✗Elegir un condensador X grande sin clasificación de seguridad: según la norma IEC 60384-14, los condensadores X de la red eléctrica deben tener una clasificación de seguridad (X1, X2) y estar abiertos a prueba de fallos. Los condensadores cerámicos o de película estándar no son aptos para la red eléctrica y pueden provocar descargas eléctricas si se producen cortocircuitos.
  • ✗Haciendo caso omiso de la saturación del inductor con polarización de corriente continua: según Wurth, los inductores con núcleo de ferrita pierden entre un 50 y un 80% de inductancia a la corriente de saturación, lo que desplaza el filtro f0 hacia arriba y reduce la atenuación entre 10 y 20 dB. Seleccione i_SAT > 2 veces la corriente de carga máxima.

Preguntas Frecuentes

Por Ott: el filtro DM (inductor+condensador) atenúa el ruido que fluye en direcciones opuestas en L y N, la ruta normal de la corriente de alimentación. El CMC atenúa el ruido que fluye en la misma dirección en L y N, es decir, la corriente que regresa a través de la tierra o el chasis. Un filtro EMI completo necesita ambas cosas: condensadores e inductores X para DM; condensadores CMC e Y para CM.
Según la práctica de diseño de CISPR: f0 suele ser de 20 a 50 kHz para proporcionar una atenuación de 20 a 30 dB a 150 kHz (límite inferior de CISPR). Para SMPS con conmutación de 100 kHz, f0 debe estar por debajo de 50 kHz. Un f0 más bajo proporciona más atenuación, pero requiere componentes más grandes/pesados. Equilibre los requisitos de atenuación con las restricciones de tamaño y costo.
Sí, según Ott, la inductancia de fuga CMC (del 1 al 5% de la inductancia CM) proporciona un filtrado en modo diferencial. Un CMC de 10 mH con una fuga del 2% tiene una inductancia DM de 200 uH, que suele ser suficiente para un filtrado DM básico. El inductor DM dedicado aumenta los costos, pero proporciona un mejor control sobre la atenuación DM independientemente del diseño del CM.
Según Wurth/Coilcraft: (1) núcleo de tambor de ferrita: compacto, de bajo costo, pero que se satura fácilmente; (2) toroide de hierro en polvo: maneja bien la polarización de corriente continua, mayor corriente de saturación; (3) toroide Sendust/MPP: mejor rendimiento de saturación, menor pérdida de núcleo, mayor costo. Para los filtros de salida SMPS con polarización de corriente continua, se prefiere hierro en polvo o Sendust. En el caso de los filtros de red de corriente alterna, se acepta la ferrita, ya que no hay polarización de corriente continua.
Por Ott: (1) Determine la atenuación A requerida en la frecuencia de problema más baja f; (2) Calcule f0 = f/10^ (A/40) para la LC de segundo orden; (3) Elija Z0 para que coincida con la impedancia de fuente/carga (50 ohmios para las mediciones de LISN); (4) L = Z0/ (2 x pi x f0); C = 1/ (2 x pi x f0); (5) Verificar el inductor maneja la corriente de carga continua sin saturación; (6) Verifique que el condensador esté clasificado para el voltaje de operación y cumpla con los requisitos de seguridad.

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