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EMC

Calculadora de Filtro EMI LC

Diseña filtros LC paso bajo para emisiones conducidas, calculando inductancia, capacitancia y atenuación.

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Fórmula

n=⌈AdB20⌉n = \left\lceil\frac{A_{dB}}{20}\right\rceil

Referencia: Williams & Taylor, "Electronic Filter Design Handbook" 4th ed.

Z0— Impedancia característica (Ω)
ωc— Frecuencia de corte angular (rad/s)
n— Orden de filtrado

Cómo Funciona

La calculadora de filtros LC EMI diseña filtros de paso bajo para cumplir con las normas de emisiones conducidas, algo esencial para las certificaciones CISPR 32/22 (equipos de TI), CISPR 11 (industrial) y FCC Parte 15. Los ingenieros de EMC utilizan esta tecnología para lograr una atenuación de entre 20 y 60 dB a 150 kHz (límite inferior según la norma CISPR) y, al mismo tiempo, mantener un suministro de energía estable y evitar problemas de resonancia en los filtros.

Según el estudio «EMC Engineering» de Henry Ott, un filtro LC de paso bajo de segundo orden proporciona una atenuación de 40 dB/década por encima de la frecuencia de corte f0 = 1/ (2 x pi x sqrt (L x C)). Para una atenuación de 40 dB a 150 kHz, el límite debe ser f0 = 150 kH/ 10^ (40/40) = 15 kHz. La impedancia característica Z0 = sqrt (L/C) debe coincidir con la impedancia fuente/carga (50 ohmios para las mediciones de LISN) para evitar picos de resonancia.

El CISPR 32 de clase B limita las emisiones conducidas a 66 dBuV (150-500 kHz), 56 dBuV (500 kHz-5 MHz) y 60 dBuV (5-30 MHz) mediante una LISN (red de estabilización de impedancia de línea). Las mediciones previas a la conformidad suelen mostrar emisiones del SMPS de 70 a 90 dBuV, lo que requiere una atenuación del filtro de 20 a 30 dB más un margen de 6 a 10 dB para la incertidumbre de la medición y la variación de la producción.

La topología de los filtros es importante: el filtro PI (C-L-C) proporciona 60 dB/década; el filtro T (L-C-L) proporciona el mismo efecto de atenuación, pero un mejor rechazo en modo común. Según Ott, los filtros de red combinan el obturador de modo común (soluciona el ruido de CM) con los condensadores X (DM a través de la línea neutra) y los condensadores en Y (del CM a tierra). Los módulos de filtros EMI completos los integran en paquetes con certificación de seguridad.

Ejemplo Resuelto

Problema: Diseñe un filtro LC para SMPS de 200 W que muestre 82 dBuV a 150 kHz. El límite de clase B del CISPR 32 es de 66 dBuv. Referencia LISN de 50 ohmios.

Solución por Ott:

  1. Atenuación requerida: 82 - 66 = 16 dB, más un margen de 6 dB = 22 dB a 150 kHz
  2. Para LC de segundo orden: A = 40 x log10 (f/f0); 22 = 40 x log10 (150/f0); f0 = 150/10^0.55 = 42 kHz
  3. Impedancia característica: Z0 = 50 ohmios para que coincida con LISN
  4. L = Z0/ (2 x pi x f0) = 50/ (2 x pi x 42000) = 189 uH; utilice un valor estándar de 220 uH
  5. C = 1/ (2 x pi x f0 x Z0) = 1/ (2 x pi x 42000 x 50) = 76 nF; utilice un condensador X2 de 100 nF
  6. Verifique f0: f0 = 1/ (2 x pi x sqrt (220e-6 x 100e-9)) = 34 kHz (más bajo, proporciona más atenuación)
  7. Atenuación a 150 kHz: A = 40 x log10 (150/34) = 40 x 0,64 = 26 dB (cumple con el requisito de 22 dB)
Componentes: inductor de 220 uH (nominal > 1 A DC, corriente de saturación > 2 A), condensador X2 de 100 nF (250 VCA nominal). El costo total del filtro es de aproximadamente 2 a 5 dólares.

Consejos Prácticos

  • ✓Utilice módulos de filtro EMI estándar para aplicaciones de red: incluyen condensadores X/Y con certificación de seguridad y cumplen con los límites de corriente de fuga UL/IEC (<3,5 mA según IEC 60950). Los diseños personalizados requieren una certificación de seguridad.
  • ✓Coloque el filtro en el punto de entrada de alimentación (entrada IEC o conector de corriente continua); filtrar después del cableado interno permite que el ruido se acople a los cables internos antes de llegar al filtro, según las pautas de diseño de Henry Ott.
  • ✓Mida con el filtro instalado para verificar que no haya resonancias: el filtro LC Q puede crear un pico de f0 que empeore las emisiones. Agregue una resistencia de amortiguación (R = Z0/3 a Z0) en paralelo con C si observa un pico.

Errores Comunes

  • ✗Sin tener en cuenta la corriente de saturación del inductor: los inductores con núcleo de ferrita pierden entre un 50 y un 80% de inductancia en la saturación, desplazando f0 hacia arriba y reduciendo la atenuación entre 10 y 20 dB. Según las notas de la aplicación de Wurth, seleccione i_SAT > 2 veces la corriente operativa máxima.
  • ✗Uso de condensadores electrolíticos para el filtrado de EMI: los electrolíticos tienen una ESR de 0,1 a 1 ohmios y un ESL de 5 a 20 nH, lo que limita la eficacia por encima de los 100 kHz. Utilice condensadores MLCC o de película X2/Y2 según las directrices de diseño de filtros CISPR 32.
  • ✗Diseño del filtro para la atenuación exacta requerida: por Ott, añada un margen de 6 a 10 dB para la variación de la producción, la deriva de temperatura y la incertidumbre de medición. Las configuraciones previas al cumplimiento tienen una incertidumbre típica de +/- 6 dB.

Preguntas Frecuentes

40 dB/década por encima de la frecuencia de corte. Un filtro con f0 = 30 kHz proporciona: 26 dB a 150 kHz (5x f0), 40 dB a 300 kHz (10x f0), 54 dB a 1 MHz (33x f0). Para una mayor atenuación, utilice la topología de filtro PI (C-L-C), que alcanza los 60 dB/década, o utilice varias etapas de filtrado en cascada según la guía de diseño de filtros CISPR.
Las emisiones conducidas del CISPR 32/22 comienzan a 150 kHz (banda B del CISPR). La clase A/B del CISPR 11 también comienza a 150 kHz. Los límites de conducción de la parte 15 de la FCC comienzan a 150 kHz para la clase B. Límites de radiación: el CISPR 32 comienza a 30 MHz; la parte 15 de la FCC comienza a 30 MHz. El diseño del filtro debe proporcionar una atenuación adecuada a 150 kHz como frecuencia crítica.
Según la norma IEC 60384-14: los condensadores X se conectan a la red eléctrica (L-N) y suprimen el ruido en modo diferencial, con una potencia nominal de 250 a 400 V CA, abiertos a prueba de fallos (no provocan descargas eléctricas). Los condensadores Y se conectan de forma L o N a tierra o al chasis, lo que suprime el ruido del modo común. Su capacidad nominal es más baja (<4,7 nF como norma) para limitar la corriente de fuga a tierra a menos de 3,5 mA según la norma IEC 60950/62368.
Dos restricciones: (1) Inductancia para el f0 requerido: L = 1/ (4 x pi^2 x f0^2 x C); (2) Clasificación de corriente: i_SAT > 2 veces la corriente de carga máxima para evitar la saturación. Según Wurth/Coilcraft, los estranguladores de modo común (para el filtrado CM) tienen una inductancia de 1 a 10 mH; los inductores de modo diferencial tienen una inductancia de 10 a 500 uH. El inductor DCR debería provocar una caída de tensión de menos del 2% a plena carga.
Sí, práctica estándar según Ott. Un filtro EMI completo incluye: (1) un obturador de modo común (de 1 a 10 mH) para el ruido CM; (2) condensadores X (100 nF-1 uF) en L-N para el ruido DM; (3) condensadores en Y (1 a 4,7 nF) a tierra para el ruido CM. La inductancia de fuga del CMC (del 1 al 5% de la inductancia CM) proporciona un filtrado DM adicional. Los módulos de filtro comerciales integran todos los elementos.

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