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EMC

Calculateur de conception de filtres EMI LC

Concevez un filtre EMI passe-bas LC pour supprimer les émissions par conduction. Calculez l'inductance, la capacité, l'ordre des filtres et l'atténuation sur la bande d'arrêt.

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Formule

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

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

Z0— Impédance caractéristique (Ω)
ωc— Fréquence de coupure angulaire (rad/s)
n— Ordre des filtres

Comment ça marche

Le calculateur de filtres EMI LC conçoit des filtres passe-bas conformes aux normes d'émissions conduites, ce qui est essentiel pour la certification CISPR 32/22 (équipement informatique), CISPR 11 (industriel) et FCC Part 15. Les ingénieurs EMC l'utilisent pour obtenir une atténuation de 20 à 60 dB à 150 kHz (limite inférieure CISPR) tout en maintenant une alimentation stable et en évitant les problèmes de résonance du filtre.

Selon « EMC Engineering » d'Henry Ott, un filtre passe-bas LC de second ordre fournit une atténuation de 40 dB/décennie au-dessus de la fréquence de coupure f0 = 1/ (2 x pi x sqrt (L x C)). Pour une atténuation de 40 dB à 150 kHz, la coupure doit être f0 = 150 kHz/10^ (40/40) = 15 kHz. L'impédance caractéristique Z0 = sqrt (L/C) doit correspondre à l'impédance source/charge (50 ohms pour les mesures LISN) afin d'éviter les pics de résonance.

Le CISPR 32 Classe B limite les émissions conduites à 66 dBuV (150-500 kHz), 56 dBuV (500 kHz-5 MHz) et 60 dBuV (5-30 MHz) à l'aide d'un LISN (réseau de stabilisation d'impédance de ligne). Les mesures de pré-conformité indiquent généralement des émissions SMPS de 70 à 90 dBuV, ce qui nécessite une atténuation du filtre de 20 à 30 dB plus une marge de 6 à 10 dB pour l'incertitude de mesure et les variations de production.

La topologie du filtre est importante : le filtre PI (C-L-C) fournit 60 dB/décennie ; le filtre T (L-C-L) fournit le même effet d'atténuation mais un meilleur rejet en mode commun. Selon Ott, les filtres secteur combinent un inducteur en mode commun (gère le bruit CM) avec des condensateurs X (DM sur une ligne neutre) et des condensateurs Y (CM vers la terre). Des modules de filtre EMI complets les intègrent dans des boîtiers certifiés en matière de sécurité.

Exemple Résolu

Problème : filtre LC de conception pour 200 W SMPS affichant 82 dBuV à 150 kHz. La limite CISPR 32 Classe B est de 66 dBuV. Référence LISN 50 ohms.

Solution par mois :

  1. Atténuation requise : 82 - 66 = 16 dB, plus une marge de 6 dB = 22 dB à 150 kHz
  2. Pour la LC du second ordre : A = 40 x log10 (f/f0) ; 22 = 40 x log10 (150/f0) ; f0 = 150/10^0,55 = 42 kHz
  3. Impédance caractéristique : Z0 = 50 ohms pour correspondre au LISN
  4. L = Z0/ (2 x pi x f0) = 50/ (2 x pi x 42 000) = 189 uH ; utilisez la valeur standard de 220 uH
  5. C = 1/ (2 x pi x f0 x Z0) = 1/ (2 x pi x 42000 x 50) = 76 nF ; utiliser un condensateur X2 de 100 nF
  6. Vérifiez f0 : f0 = 1/ (2 x pi x sqrt (220e-6 x 100e-9)) = 34 kHz (plus bas, fournit plus d'atténuation)
  7. Atténuation à 150 kHz : A = 40 x log10 (150/34) = 40 x 0,64 = 26 dB (répond à l'exigence de 22 dB)
Composants : inducteur 220 uH (nominal > 1 A DC, courant de saturation > 2 A), condensateur 100 nF X2 (nominal 250 VAC). Le coût total du filtre est d'environ 2 à 5$.

Conseils Pratiques

  • ✓Utilisez des modules de filtre EMI prêts à l'emploi pour les applications sur secteur : ils comprennent des condensateurs X/Y certifiés en matière de sécurité et respectent les limites de courant de fuite UL/IEC (<3,5 mA selon la norme IEC 60950). Les conceptions personnalisées nécessitent une certification de sécurité.
  • ✓Placez le filtre au point d'entrée de l'alimentation (entrée IEC ou prise DC). Le filtrage après le câblage interne permet au bruit de se coupler aux câbles internes avant d'atteindre le filtre, conformément aux directives de configuration de Henry Ott.
  • ✓Mesurez avec un filtre installé pour vérifier l'absence de résonances : le filtre LC Q peut créer un pic à f0 qui aggrave les émissions. Ajoutez une résistance d'amortissement (R = Z0/3 à Z0) en parallèle avec C si un pic est observé.

Erreurs Fréquentes

  • ✗Négliger le courant de saturation des inducteurs : les inducteurs à noyau de ferrite perdent de 50 à 80 % d'inductance à la saturation, déplaçant f0 vers le haut et réduisant l'atténuation de 10 à 20 dB. Conformément aux notes d'application de Wurth, sélectionnez i_SAT > 2 fois le courant de fonctionnement maximal.
  • ✗Utilisation de condensateurs électrolytiques pour le filtrage des interférences électromagnétiques : les électrolytiques ont une ESR de 0,1 à 1 ohm et une ESL de 5 à 20 nH, ce qui limite l'efficacité au-delà de 100 kHz. Utilisez des condensateurs à film X2/Y2 ou MLCC conformément aux directives de conception des filtres CISPR 32.
  • ✗Conception d'un filtre pour l'atténuation exacte requise : par Ott, ajoutez une marge de 6 à 10 dB pour les variations de production, la dérive de température et l'incertitude de mesure. Les configurations de pré-conformité présentent une incertitude typique de +/- 6 dB.

Foire Aux Questions

40 dB/décennie au-dessus de la fréquence de coupure. Un filtre avec f0 = 30 kHz fournit : 26 dB à 150 kHz (5x f0), 40 dB à 300 kHz (10x f0), 54 dB à 1 MHz (33x f0). Pour une atténuation plus élevée, utilisez la topologie PI-filter (C-L-C) qui atteint 60 dB/décennie, ou cascadez plusieurs étages de filtre conformément au guide de conception des filtres CISPR.
Les émissions conduites CISPR 32/22 commencent à 150 kHz (bande B CISPR). La norme CISPR 11 Classe A/B commence également à 150 kHz. Les limites conduites de la partie 15 de la FCC commencent à 150 kHz pour la classe B. Limites rayonnées : CISPR 32 commence à 30 MHz ; la partie 15 de la FCC commence à 30 MHz. La conception du filtre doit fournir une atténuation adéquate à 150 kHz comme fréquence critique.
Conformément à la norme IEC 60384-14 : les condensateurs X se connectent sur le secteur (L-N), supprimant ainsi le bruit en mode différentiel. Ils sont conçus pour 250-400 VAC, ouverts en toute sécurité (ne provoqueront pas de choc). Les condensateurs Y se connectent de L ou N à la terre ou au châssis, supprimant ainsi le bruit en mode commun. Ils sont conçus pour une capacité inférieure (<4,7 nF typique) afin de limiter le courant de fuite à la terre à <3,5 mA conformément à la norme IEC 60950/62368.
Deux contraintes : (1) Inductance pour le f0 requis : L = 1/ (4 x pi^2 x f0^2 x C) ; (2) Courant nominal : i_SAT > 2 fois le courant de charge de pointe pour éviter la saturation. Selon Wurth/Coilcraft, les inducteurs en mode commun (pour le filtrage CM) ont une inductance de 1 à 10 mH ; les inducteurs en mode différentiel ont une inductance de 10 à 500 uH. L'inducteur DCR devrait provoquer une chute de tension inférieure à 2 % à pleine charge.
Oui, pratique standard selon Ott. Un filtre EMI complet comprend : (1) un inducteur en mode commun (1-10 mH) pour le bruit CM ; (2) des condensateurs X (100 nF-1 uF) sur L-N pour le bruit DM ; (3) des condensateurs Y (1-4,7 nF) à la terre pour le bruit CM. L'inductance de fuite du CMC (1 à 5 % de l'inductance CM) fournit un filtrage DM supplémentaire. Les modules de filtrage commerciaux intègrent tous les éléments.

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