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EMC

Calculadora de design de filtro LC EMI

Projete um filtro EMI de baixa passagem LC para supressão de emissões conduzidas — calcule a indutância, a capacitância, a ordem do filtro e a atenuação na banda de parada.

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Fórmula

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

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

Z0— Impedância característica (Ω)
ωc— Frequência de corte angular (rad/s)
n— Ordem do filtro

Como Funciona

A calculadora de filtros LC EMI projeta filtros passa-baixa para conformidade com emissões conduzidas — essenciais para a certificação CISPR 32/22 (equipamento de TI), CISPR 11 (industrial) e FCC Parte 15. Os engenheiros da EMC usam isso para atingir uma atenuação de 20-60 dB a 150 kHz (limite inferior da CISPR), mantendo o fornecimento estável de energia e evitando problemas de ressonância do filtro.

De acordo com a “EMC Engineering” de Henry Ott, um filtro passa-baixa LC de segunda ordem fornece atenuação de 40 dB/década acima da frequência de corte f0 = 1/ (2 x pi x sqrt (L x C)). Para atenuação de 40 dB a 150 kHz, o corte deve ser f0 = 150 kHz/ 10^ (40/40) = 15 kHz. A impedância característica Z0 = sqrt (L/C) deve corresponder à impedância da fonte/carga (50 ohm para medições de LISN) para evitar picos ressonantes.

O CISPR 32 Classe B limita as emissões conduzidas em 66 dBuV (150-500 kHz), 56 dBuV (500 kHz-5 MHz) e 60 dBuV (5-30 MHz) usando uma LISN (Rede de Estabilização de Impedância de Linha). As medições de pré-conformidade normalmente mostram emissões SMPS de 70 a 90 dBuV — exigindo atenuação do filtro de 20 a 30 dB mais uma margem de 6 a 10 dB para incerteza de medição e variação de produção.

A topologia do filtro é importante: o filtro PI (C-L-C) fornece 60 dB/década; o filtro T (L-C-L) fornece a mesma distribuição, mas melhor rejeição no modo comum. De acordo com Ott, os filtros principais combinam bloqueador de modo comum (aborda o ruído CM) com capacitores X (DM em linha neutra) e capacitores Y (CM para terra). Módulos de filtro EMI completos os integram em pacotes certificados de segurança.

Exemplo Resolvido

Problema: Projete um filtro LC para SMPS de 200 W mostrando 82 dBuV a 150 kHz. O limite CISPR 32 Classe B é 66 dBuV. Referência LISN de 50 ohms.

Solução por Ott:

  1. Atenuação necessária: 82 - 66 = 16 dB, mais 6 dB de margem = 22 dB a 150 kHz
  2. Para LC de segunda ordem: A = 40 x log10 (f/f0); 22 = 40 x log10 (150/f0); f0 = 150/10^0,55 = 42 kHz
  3. Impedância característica: Z0 = 50 ohm para corresponder ao LISN
  4. L = Z0/ (2 x pi x f0) = 50/ (2 x pi x 42000) = 189 uH; use o valor padrão de 220 uH
  5. C = 1/ (2 x pi x f0 x Z0) = 1/ (2 x pi x 42000 x 50) = 76 nF; use o capacitor de 100 nF X2
  6. Verifique f0: f0 = 1/ (2 x pi x sqrt (220e-6 x 100e-9)) = 34 kHz (menor, fornece mais atenuação)
  7. Atenuação a 150 kHz: A = 40 x log10 (150/34) = 40 x 0,64 = 26 dB (atende ao requisito de 22 dB)
Componentes: indutor de 220 uH (nominal >1A DC, corrente de saturação >2A), capacitor de 100 nF X2 (nominal 250VAC). O custo total do filtro é de aproximadamente 2 a 5 dólares.

Dicas Práticas

  • ✓Use módulos de filtro EMI prontos para uso em aplicações de rede elétrica — eles incluem capacitores X/Y certificados de segurança e atendem aos limites de corrente de fuga UL/IEC (<3,5 mA de acordo com a IEC 60950). Projetos personalizados exigem certificação de segurança.
  • ✓Coloque o filtro no ponto de entrada de energia (entrada IEC ou conector DC) — a filtragem após a fiação interna permite que o ruído seja acoplado aos cabos internos antes de atingir o filtro, de acordo com as diretrizes de layout da Henry Ott.
  • ✓Meça com o filtro instalado para verificar se não há ressonâncias — o filtro LC Q pode criar um pico em f0 que piora as emissões. Adicione o resistor de amortecimento (R = Z0/3 a Z0) em paralelo com C se o pico for observado.

Erros Comuns

  • ✗Negligenciando a corrente de saturação do indutor - os indutores de núcleo de ferrite perdem 50-80% de indutância na saturação, deslocando f0 para cima e reduzindo a atenuação em 10-20 dB. De acordo com as notas de aplicação da Wurth, selecione i_SAT > 2x corrente operacional de pico.
  • ✗Usando capacitores eletrolíticos para filtragem EMI — os eletrolíticos têm ESR de 0,1-1 ohm e ESL de 5-20 nH, limitando a eficácia acima de 100 kHz. Use capacitores de filme X2/Y2 ou MLCC de acordo com as diretrizes de design de filtro CISPR 32.
  • ✗Projetando o filtro para a atenuação exata necessária — por Ott, adicione uma margem de 6 a 10 dB para variação de produção, variação de temperatura e incerteza de medição. As configurações de pré-conformidade têm uma incerteza típica de +/- 6 dB.

Perguntas Frequentes

40 dB/década acima da frequência de corte. Um filtro com f0 = 30 kHz fornece: 26 dB a 150 kHz (5x f0), 40 dB a 300 kHz (10x f0), 54 dB a 1 MHz (33x f0). Para maior atenuação, use a topologia de filtro PI (C-L-C) que atinge 60 dB/década, ou crie vários estágios de filtro em cascata de acordo com o guia de design do filtro CISPR.
As emissões conduzidas pela CISPR 32/22 começam em 150 kHz (CISPR Band B). A CISPR 11 Classe A/B também começa em 150 kHz. Os limites conduzidos pela FCC Parte 15 começam em 150 kHz para a Classe B. Limites irradiados: CISPR 32 começa em 30 MHz; FCC Parte 15 começa em 30 MHz. O design do filtro deve fornecer atenuação adequada a 150 kHz como frequência crítica.
De acordo com a IEC 60384-14: os capacitores X se conectam à rede elétrica (L-N), suprimindo o ruído do modo diferencial — classificados para 250-400VAC, abertos à prova de falhas (não causam choque). Os capacitores Y se conectam de L ou N à terra/chassi, suprimindo o ruído de modo comum — classificados para menor capacitância (<4,7 nF típica) para limitar a corrente de fuga de terra a <3,5 mA de acordo com a IEC 60950/62368.
Duas restrições: (1) Indutância para f0: L = 1/ (4 x pi^2 x f0^2 x C); (2) Classificação atual: I_sat > 2x corrente de carga de pico para evitar saturação. De acordo com a Wurth/Coilcraft, os bloqueadores de modo comum (para filtragem CM) têm indutância de 1-10 mH; os indutores de modo diferencial têm 10-500 uH. O indutor DCR deve causar queda de tensão de < 2% em carga total.
Sim — prática padrão de acordo com Ott. Um filtro EMI completo inclui: (1) bloqueador de modo comum (1-10 mH) para ruído CM; (2) capacitores X (100 nF-1 uF) em L-N para ruído DM; (3) capacitores Y (1-4,7 nF) na terra para ruído CM. A indutância de vazamento do CMC (1-5% da indutância CM) fornece filtragem adicional de DM. Os módulos de filtro comerciais integram todos os elementos.

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