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EMC

Filtro EMI de modo diferencial

Projete um filtro LC EMI de modo diferencial. Calcule a frequência de canto, atenuação e impedância para supressão de ruído de saída SMPS.

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Fórmula

f0=1/(2π√LDMCDM)f₀ = 1/(2π√L_DM C_DM)

Como Funciona

A Calculadora de Filtro de Modo Diferencial projeta filtros LC passa-baixa para ondulação de saída SMPS e filtragem EMI de entrada principal — essenciais para a conformidade de emissões conduzidas pela CISPR 32 e fornecimento de energia limpa para cargas sensíveis. Os engenheiros de eletrônica de potência usam isso para obter uma atenuação do modo diferencial de 20-40 dB nas frequências de comutação, mantendo a conversão de energia estável.

De acordo com a “Engenharia EMC” de Henry Ott, o ruído de modo diferencial (DM) flui simetricamente entre os condutores L e N (ou trilhos de alimentação + e -), distinto do ruído de modo comum que flui na mesma direção em ambos os condutores. Um filtro passa-baixa LC de segunda ordem fornece atenuação de A = 40 x log10 (f/f0) dB acima do ponto de corte f0 = 1/ (2 x pi x sqrt (L x C)). A impedância característica Z0 = sqrt (L/C) deve corresponder à impedância da fonte/carga para reflexão mínima.

De acordo com a CISPR 32, as emissões conduzidas são medidas de 150 kHz a 30 MHz usando um LISN com impedância de 50 ohms. O SMPS típico produz um ruído DM de 60 a 90 dBuV em harmônicos de frequência de comutação; os limites da Classe B são de 66 a 56 dBuV. A atenuação necessária é, portanto, de 20-35 dB a 150 kHz, aumentando em frequências mais altas, onde os limites são mais estreitos.

Para a topologia de filtro PI (C-L-C), a atenuação é 60 dB/década acima do limite — 20 dB melhor do que a LC de estágio único. De acordo com Ott, os filtros PI são preferidos quando uma atenuação de >40 dB é necessária, mas requerem um amortecimento cuidadoso para evitar picos ressonantes. Os filtros T (L-C-L) fornecem a mesma distribuição com melhor impedância de saída para cargas de fonte de tensão.

Exemplo Resolvido

Problema: projete um filtro DM para SMPS de 100 kHz mostrando emissões de 80 dBuV a 150 kHz fundamentais. O limite CISPR 32 Classe B é 66 dBuV. Referência LISN de 50 ohms.

Solução por Ott:

  1. Atenuação necessária a 150 kHz: 80 - 66 + 6 dB de margem = 20 dB
  2. Para LC de segunda ordem: A = 40 x log10 (f/f0); 20 = 40 x log10 (150/f0)
  3. Resolva: f0 = 150/10^0,5 = 47 kHz
  4. Combine com 50 ohm: L = 50/ (2 x pi x 47000) = 169 uH; use 180 uH
  5. C = 1/ (2 x pi x 47000 x 50) = 68 nF; use o capacitor X2 de 68 nF
  6. Verifique: 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 do indutor: I_sat > 2 x corrente de carga (por exemplo, a carga de 3A precisa de 6A sat); DCR < 100 mohm para < 2% de perda de eficiência

Componentes: indutor de 180 uH (Wurth 744771118), capacitor de filme X2 de 68 nF. Para obter margem adicional, atualize para o filtro PI (adicione um segundo capacitor de 68 nF na saída).

Dicas Práticas

  • ✓Use o filtro PI (C-L-C) quando for necessária uma atenuação de >40 dB — por Ott, o filtro PI atinge 60 dB/década de rolagem versus 40 dB/década para um único estágio de LC. Essencial para SMPS com alta ondulação ou cargas sensíveis a jusante.
  • ✓Adicione um resistor de amortecimento se o filtro Q > 5 — por Ott, os filtros LC não amortecidos podem ter um pico ressonante de 10-20 dB em f0, piorando as emissões nessa frequência. Adicione R aproximadamente Z0/3 em série com capacitor de saída para amortecer a ressonância.
  • ✓Meça com filtro para verificar se não há ressonâncias — de acordo com Ott, as ressonâncias do filtro podem criar novos picos de emissão que não estão presentes sem o filtro. Escaneie a banda CISPR completa (150 kHz - 30 MHz) depois de adicionar o filtro para verificar se não há consequências indesejadas.

Erros Comuns

  • ✗Filtragem confusa de DM e CM — por Ott, o filtro DM (LC entre L e N) trata apenas o ruído que flui de forma diferenciada. O ruído de modo comum (L e N em fase com a terra) requer capacitores CMC mais Y. O filtro EMI completo trata de ambos; o filtro somente DM falha nos testes de CM.
  • ✗Escolhendo um capacitor X grande sem classificação de segurança — de acordo com a IEC 60384-14, os capacitores X na rede elétrica devem ser classificados como seguros (X1, X2) e abertos à prova de falhas. Os capacitores padrão de cerâmica ou filme não são seguros para a rede elétrica e podem criar risco de choque se ficarem curtos.
  • ✗Ignorando a saturação do indutor com polarização DC - de acordo com Wurth, os indutores de núcleo de ferrite perdem 50-80% de indutância na corrente de saturação, deslocando o filtro f0 para cima e reduzindo a atenuação em 10-20 dB. Selecione I_sat > 2x corrente de carga de pico.

Perguntas Frequentes

Por Ott: O filtro DM (indutor + capacitor) atenua o ruído que flui em direções opostas em L e N — o caminho normal da corrente de energia. O CMC atenua o ruído que flui na mesma direção em L e N — corrente que retorna pela terra/chassi. O filtro EMI completo precisa de: capacitores X e indutores para DM; capacitores CMC e Y para CM.
De acordo com a prática de projeto do CISPR: f0 normalmente 20-50 kHz para fornecer atenuação de 20-30 dB a 150 kHz (limite inferior do CISPR). Para SMPS com comutação de 100 kHz, f0 deve estar abaixo de 50 kHz. F0 inferior fornece mais atenuação, mas requer componentes maiores/mais pesados. Equilibre os requisitos de atenuação com as restrições de tamanho/custo.
Sim — por Ott, a indutância de vazamento CMC (1-5% da indutância CM) fornece filtragem em modo diferencial. Um CMC de 10 mH com vazamento de 2% tem indutância de 200 uH DM — geralmente suficiente para a filtragem básica de DM. O indutor DM dedicado aumenta o custo, mas fornece melhor controle sobre a atenuação do DM, independentemente do design do CM.
De acordo com a Wurth/Coilcraft: (1) Núcleo de tambor de ferrite — compacto, de baixo custo, mas satura facilmente; (2) Toróide de ferro em pó — lida bem com polarização DC, maior corrente de saturação; (3) Toróide Sendust/MPP — melhor desempenho de saturação, menor perda de núcleo, maior custo. Para filtros de saída SMPS com polarização DC, é preferível ferro em pó ou Sendust. Para filtros de rede AC, ferrite é aceitável, pois não há polarização DC.
Por Ott: (1) Determine a atenuação necessária A na menor frequência do problema f; (2) Calcule f0 = f/10^ (A/40) para LC de segunda ordem; (3) Escolha Z0 para corresponder à impedância da fonte/carga (50 ohm para medições LISN); (4) L = Z0/ (2 x pi x f0); C = 1/ (2 x pi x f0); C = 1/ (2 x pi x f0)); (5) Verifique se o indutor lida com a corrente de carga DC sem saturação; (6) Verifique se o capacitor está classificado para tensão operacional e atende aos requisitos de segurança.

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