EMC / Compliance11 de abril de 202610 min de leitura

Projeto de filtro EMI: cálculos de filtro LC para conformidade com CISPR

Projete filtros EMI para conformidade com emissões conduzidas. Abrange a seleção da topologia do filtro LC, cálculo da frequência de corte, filtragem de modo comum versus modo diferencial e limites CISPR 32.

Conteúdo

O problema de emissões conduzidas
Compreendendo os limites do CISPR
Modo diferencial versus ruído de modo comum
Fundamentos do filtro LC
Seleção de componentes para filtros EMI
Indutores
Capacitores
Topologias de filtro de vários estágios
Dicas práticas de layout que criam ou quebram seu filtro
Resumo

O problema de emissões conduzidas

Você construiu uma fonte de alimentação em modo switch que funciona perfeitamente na bancada. Ele regula perfeitamente, a eficiência é ótima, o desempenho térmico é sólido. Em seguida, você o leva ao laboratório da EMC e ele falha nas emissões conduzidas em 15 dB a 300 kHz. Bem-vindo ao clube.

As emissões conduzidas são as correntes de ruído que seu produto envia de volta para a rede elétrica AC ou para as linhas de alimentação DC. Cada conversor de comutação, driver de motor, driver de LED e circuito digital gera ruído de alta frequência que viaja de volta pelo cabo de alimentação e potencialmente interfere com outros equipamentos na mesma rede. É por isso que todos os países do mundo regulam as emissões conduzidas e por que o design de filtros EMI é uma habilidade crítica para qualquer engenheiro de eletrônica de potência.

A boa notícia: os filtros LC são extremamente eficazes na supressão de emissões conduzidas quando você entende a física. A má notícia: acertar os valores e a topologia dos componentes exige mais atenção do que a maioria dos engenheiros pensa. Use a calculadora EMI Filter LC para iterar rapidamente os designs de filtros à medida que analisamos os conceitos.

Compreendendo os limites do CISPR

A CISPR 32 (que substituiu a CISPR 22) define limites de emissão conduzida de 150 kHz a 30 MHz. Há duas classes de limite:

Classe	Ambiente	Limite quase máximo (150 kHz)	Limite médio (150 kHz)
A	Industrial	79 dB $\mu$ V	66 dB $\mu$ V
B	Residencial	66 dB $\mu$ v	56 dB $\mu$ v

Os limites diminuem à medida que a frequência aumenta, caindo aproximadamente 13 dB entre 150 kHz e 500 kHz, mantendo-se relativamente estáveis de 500 kHz para 5 MHz e diminuindo outros 10 dB de 5 para 30 MHz.

A classe B é a que dói. Produtos de consumo, equipamentos de TI e qualquer coisa usada em um ambiente residencial devem atender à Classe B. Isso é 13 dB mais rígido do que a Classe A em todos os aspectos. Muitos engenheiros projetam para a Classe B até mesmo para produtos industriais, porque obter a marca Classe B abre mais mercados.

A subparte B da Parte 15 da FCC tem limites semelhantes, mas usa a metodologia CISPR 22. Se você passar pela CISPR 32 Classe B, quase certamente passará pela FCC.

Modo diferencial versus ruído de modo comum

Esse é o conceito mais importante no design de filtros EMI, e errar é o principal motivo pelo qual os filtros não funcionam conforme o esperado.

O ruído do modo diferencial (DM) flui em direções opostas na linha e nos condutores neutros. É causado pela corrente pulsante consumida pelo próprio conversor de comutação. Um conversor Buck cortando a corrente a 500 kHz produz fortes harmônicos DM a 500 kHz, 1 MHz, 1,5 MHz e assim por diante. Ruído de modo comum (CM) flui na mesma direção em linha e em ponto morto, retornando pelo solo terrestre. É causado por capacitâncias parasitas dos nós de comutação ao aterramento do chassi — a capacitância do dissipador de calor para o MOSFET, a capacitância de entrelaçamento do transformador e o acoplamento parasitário de PCB.

O principal insight: O ruído DM domina abaixo de 1-2 MHz, enquanto o ruído CM domina acima de 2 MHz. Essa generalização vale para a maioria dos conversores de modo switch e indica onde concentrar seu esforço de filtragem em cada frequência.

Medindo a divisão: use uma LISN (Rede de Estabilização de Impedância de Linha) em cada linha e calcule: $V_{DM} = (V_L - V_N)/2$ e $V_{CM} = (V_L + V_N)/2$ . Alguns receptores EMC têm uma rede de discriminação CM/DM que faz isso automaticamente.

Fundamentos do filtro LC

Um filtro passa-baixa LC básico fornece atenuação de 40 dB/década acima de sua frequência de corte. Isso é 12 dB por oitava, ou aproximadamente 40 dB de atenuação para cada década que você ultrapassa o limite. A frequência de corte é:

f_c = \frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}

Para um filtro LC de estágio único, a perda de inserção em uma frequência

f

bem acima do limite é de aproximadamente:

\text{IL}(f) \approx 40 \log_{10}\left(\frac{f}{f_c}\right) \text{ dB}

Procedimento de design:

Meça (ou estime) suas emissões conduzidas não filtradas
Compare com o limite aplicável
Determine a atenuação necessária na pior frequência possível
Adicione 6 a 10 dB de margem (os componentes se degradam, os parasitas comem o desempenho)
Escolha $f_c$ para fornecer a atenuação necessária
Selecione os valores L e C para atingir esse $f_c$ ### Exemplo resolvido

Seu conversor buck de 100 kHz mostra 85 dB

\mu

V a 300 kHz no LISN. O limite de quase-pico CISPR 32 Classe B a 300 kHz é de aproximadamente 60 dB

\mu

V. Você precisa:

\text{Required attenuation} = 85 - 60 + 6 = 31 \text{ dB (with 6 dB margin)}

O ruído é de 300 kHz e sua frequência de comutação é de 100 kHz, então você deseja que o filtro seja cortado bem abaixo de 300 kHz. Para 31 dB a 300 kHz:

31 = 40 \log_{10}(300/f_c)

f_c = 300 / 10^{31/40} \approx 300 / 10^{0.775} \approx 300 / 5.96 \approx 50 \text{ kHz}

Portanto, você precisa de um filtro LC com um ponto de corte em torno de 50 kHz. Vamos escolher

C = 1\,\mu

F (um valor padrão do capacitor de segurança X2):

L = \frac{1}{(2\pi f_c)^2 C} = \frac{1}{(2\pi \times 50 \times 10^3)^2 \times 10^{-6}} \approx 10 \text{ mH}

Um indutor de modo comum ou diferencial de 10 mH, emparelhado com um capacitor de 1

\mu

F, oferece a filtragem de que você precisa. Verifique isso com a calculadora EMI Filter LC.

Seleção de componentes para filtros EMI

Indutores

Os bloqueadores de modo comum são enrolados com linha e neutro no mesmo núcleo, com enrolamentos opostos. A corrente de carga normal (modo diferencial) é cancelada no núcleo, então o indutor não satura sob carga. Somente correntes de modo comum veem a indutância total. Valores típicos: 1-47 mH para filtros de rede. Materiais principais: nanocristalino (melhor desempenho de banda larga), ferrita MnZn (boa até 1 MHz), ferrita NiZn (boa acima de 1 MHz). Indutores de modo diferencial devem transportar a corrente de carga total sem saturar. Isso limita o valor da indutância para um determinado tamanho de núcleo. Valores típicos: 10-1000

\mu

H. Núcleos de ferro em pó são comuns porque têm uma característica de saturação suave.

A pegadinha prática: a impedância do indutor tem uma frequência autorressonante (SRF) acima da qual o componente se torna capacitivo e para de filtrar. Sempre verifique se o SRF está acima de sua maior frequência de preocupação.

Capacitores

X capacitores vão entre a linha e o neutro (através da rede elétrica). Eles suprimem o ruído do modo diferencial. Classificação de segurança X1, X2 ou X3, dependendo dos requisitos de tensão e sobretensão. Valores típicos: 100 nF a 2,2

\mu

F. X2 é a classificação mais comum para produtos de consumo. Os capacitores Y vão da linha ou do neutro ao solo terrestre. Eles suprimem o ruído do modo comum. Classificações de segurança Y1, Y2, Y3, Y4 — os números indicam resistência à tensão de impulso. O Y2 é típico para eletrônicos de consumo. Limites de corrente de fuga restringem os valores do capacitor Y a aproximadamente 4,7 nF para equipamentos médicos e 10-47 nF para produtos comerciais. Exceder esses valores corre o risco de falhar no teste de segurança de corrente de toque (vazamento).

Para uma análise mais profunda de como a blindagem complementa a filtragem em uma estratégia completa da EMC, consulte a Calculadora de eficácia do Cable Shield.

Topologias de filtro de vários estágios

Um filtro LC de estágio único fornece 40 dB/década. Precisa de mais? Adicione outro estágio para 80 dB/década:

f_c = \frac{1}{2\pi\sqrt[4]{L_1 C_1 L_2 C_2}}

Topologias comuns para filtros EMI de rede AC, do mais simples ao mais eficaz:

Somente C — apenas capacitores X e Y. Solução rápida, atenuação limitada. Bom para 10-15 dB.
LC (seção pi) — um indutor + capacitores. A topologia robusta. Bom para 30-50 dB.
CLC (Pi-LC) — capacitor-indutor-capacitor. Adiciona mais 20 dB sem aumentar muito o tamanho.
LCLC (dois estágios) — dois estágios de indutor-capacitor. Rendimento de 80 dB/década. Usado quando você precisa de atenuação séria.

Cada estágio adicional adiciona o custo do componente e o espaço da placa, mas aumenta drasticamente a atenuação de alta frequência. Para a maioria dos produtos, um filtro de estágio único bem projetado com um bloqueador de modo comum, capacitores X e capacitores Y é suficiente.

Dicas práticas de layout que criam ou quebram seu filtro

Mantenha a entrada e a saída separadas. O erro mais comum no layout do filtro é executar os traços de entrada não filtrados próximos aos traços de saída filtrados. O acoplamento capacitivo e indutivo entre eles pode ignorar completamente o filtro, destruindo mais de 20 dB de desempenho. Capacitores Y aterrados até um ponto de aterramento de baixa impedância. Traços ou fios longos dos capacitores Y ao aterramento do chassi adicionam indutância que reduz a filtragem de modo comum em altas frequências. Use traços curtos e largos diretamente em um parafuso de aterramento do chassi ou clipe de mola. Coloque o filtro no ponto de entrada de alimentação. O filtro deve ser a primeira coisa que a conexão elétrica vê, antes de qualquer vestígio de PCB que possa irradiar. Muitos produtos montam o filtro no próprio módulo de entrada de energia. Use um plano de aterramento embaixo do filtro. Se o filtro EMI estiver no PCB principal, um plano de aterramento sólido abaixo reduz o acoplamento parasitário e fornece um caminho de retorno para correntes de modo comum.

O Conducted Emissions Filter designer ajuda você a modelar filtros de vários estágios e a verificar se os valores de seus componentes fornecem a atenuação necessária em toda a faixa de frequência CISPR.

Resumo

Projetar um filtro EMI eficaz para conformidade com emissões conduzidas segue um processo lógico:

Ruído separado de DM e CM — eles exigem diferentes componentes de filtro e topologias
Calcule a atenuação necessária a partir de suas emissões medidas menos o limite, mais a margem de 6 a 10 dB
Defina a frequência de corte usando $f_c = 1/(2\pi\sqrt{LC})$ $f_{c} = 1/ (2 π L C)$ para fornecer a atenuação necessária na pior frequência possível
1. Selecione componentes com classificação de segurança — capacitores X para DM, capacitores Y para CM, bobinas de modo comum para indutância CM
2. Cuidado com os parasitas — o capacitor ESR, o indutor SRF e o acoplamento do layout de PCB degradam o desempenho do filtro no mundo real
A diferença entre um filtro que funciona em papel e um que funciona no laboratório é quase sempre a presença de parasitas de layout e componentes. Comece com a matemática, verifique com a calculadora EMI Filter LC e valide em hardware com as técnicas adequadas de medição de alta frequência.