ディファレンシャルモード EMIフィルタ
SMPS出力フィルタリングのためのディファレンシャルモードLC EMIフィルタを設計します。
公式
仕組み
ディファレンシャル・モード・フィルタ・カリキュレータは、SMPS出力リップル用のLCローパス・フィルタと主電源入力EMIフィルタリングを設計します。これらのフィルタは、CISPR 32の伝導性エミッション準拠と敏感な負荷へのクリーンな電力供給に不可欠です。パワーエレクトロニクスのエンジニアはこれを利用して、安定した電力変換を維持しながら、スイッチング周波数で20〜40dBの差動モード減衰を実現しています。
ヘンリー・オットの「EMC エンジニアリング」によると、差動モード (DM) ノイズは、LとNの導体 (または+と-の電源レール) の間を対称的に流れ、両方の導体を同じ方向に流れるコモンモードノイズとは区別しています。2 次 LC ローパス・フィルタを使用すると、カットオフ f0 = 1/ (2 x pi x sqrt (L x C)) を超えると、A = 40 x log10 (f/f0) dB の減衰が得られます。反射を最小限に抑えるには、特性インピーダンス Z0 = sqrt (L/C) はソース/負荷インピーダンスと一致する必要があります。
CISPR 32によると、伝導エミッションは50オームのインピーダンスを示すLISNを使用して150kHzから30MHzまでの範囲で測定されます。標準的な SMPS では、スイッチング周波数の高調波で 60 ～ 90 dBuV の DM ノイズが発生します。クラス B の制限値は 66 ～ 56 dBuV です。したがって、必要な減衰量は 150 kHz で 20 ～ 35 dB で、制限が厳しい高周波数では増大します。
PI フィルタ・トポロジー (C-L-C) の場合、減衰はカットオフより 60 dB/デケード高く、シングルステージの LC よりも 20 dB 高くなります。Ottによると、40 dBを超える減衰が必要な場合はPIフィルターが適していますが、共振によるピーキングを避けるには注意深い減衰が必要です。Tフィルタ (L-C-L) は、電圧源負荷に対して同じロールオフとより優れた出力インピーダンスを提供します。
計算例
問題:基本波が 150 kHz で 80 dBuV のエミッションを示す 100 kHz SMPS 用の DM フィルターを設計します。CISPR 32 クラス B の制限は 66 dBuV です。50 オームの LISN リファレンスです。
オットあたりのソリューション: 1.150 kHz で必要な減衰量:80-66 + 6 dB マージン = 20 dB 2.2 次 LC の場合:A = 40 x log10 (f/f0); 20 = 40 x log10 (150/f0) 3.解決:f0 = 150/10^0.5 = 47 kHz 4.50 オームにマッチ:L = 50/ (2 x pi x 47000) = 169 uH、180 Hu を使用 5.C = 1/ (2 x pi x 47000 x 50) = 68 nF、68 nF X2 コンデンサを使用 6.検証:f0 = 1/ (2 x pi x sqrt (180e-6 x 68e-9)) = 45.5 kHz; 150 kHz の A = 40 x log10 (150/45.5) = 21 dB 7.インダクタ要件:i_SAT > 2倍の負荷電流 (例えば、3Aの負荷では6AのSATが必要)。効率損失が 2% 未満の場合、DCR が 100 mΩ未満
コンポーネント:180 uH インダクタ (Wurth 744771118)、68 nF X2 フィルムコンデンサ。マージンを増やすには、PI フィルターにアップグレードしてください (出力に 2 つ目の 68 nF コンデンサを追加)。
実践的なヒント
- ✓40dB以上の減衰が必要な場合はPIフィルタ（C-L-C）を使用してください。1オットあたりのPIフィルタのロールオフは、シングルLCステージの40dB/ディケードに対して、60dB/ディケードのロールオフを実現します。リップルが大きいSMPSやダウンストリームの負荷が敏感なSMPSには不可欠です。
- ✓フィルタQ > Ottあたり5以上の場合はダンピング抵抗を追加してください。非ダンピングLCフィルタの共振ピークはf0で10〜20dBになり、その周波数での放射が悪化します。出力コンデンサと直列にRを約Z0/3程度加えて共振を減衰させます。
- ✓フィルターを使用して測定し、共振がないことを確認します。Ottによると、フィルターの共振は、フィルターなしでは存在しない新しい放射ピークを生成する可能性があります。フィルターを追加した後に CISPR 帯域全域 (150 kHz ～ 30 MHz) をスキャンして、意図しない結果が生じていないことを確認します。
よくある間違い
- ✗紛らわしいDMフィルタリングとCMフィルタリング — Ottによると、DMフィルタ（LとNの間のLC）は、差動的に流れるノイズのみを処理します。コモン・モード・ノイズ (LとNがアースと位相) には、CMCとYコンデンサが必要です。完全な EMI フィルタは両方に対応します。DM のみのフィルタは CM テストに不合格です。
- ✗安全等級のない大型のXコンデンサの選択 — IEC 60384-14では、主電源間のXコンデンサは安全定格（X1、X2）で、フェイルセーフオープンでなければなりません。標準のセラミックコンデンサやフィルムコンデンサは主電源に安全ではなく、ショートすると感電の危険性があります。
- ✗DCバイアスによるインダクタの飽和（Wurth当たり）を無視すると、フェライトコアインダクタは飽和電流で50〜80％のインダクタンスを失い、フィルターf0を上方にシフトして減衰を10〜20dB減らします。i_SAT のピーク負荷電流の 2 倍より大きい値を選択してください。
よくある質問
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