Как подобрать EMI-фильтр и подавитель импульсных помех
Чем различаются синфазная и противофазная помеха, какие компоненты применяются под каждую задачу, как подбираются номиналы по частоте и току насыщения и где фильтр ставится на плате.
Фильтр электромагнитных помех решает две разные задачи, и их часто путают. Первая — не выпустить помеху, которую создаёт само устройство, в питающую сеть и в соседние цепи. Вторая — не впустить помеху из сети внутрь устройства. Подбор в обоих случаях ведётся по частоте, по виду помехи и по току цепи, и от этого зависит, какой компонент ставится и в каком месте схемы.
Ниже — чем различаются виды помех, какие компоненты применяются под каждую задачу, как подбираются номиналы и где фильтр ставится на плате. Позиции собраны в разделах ферритовые фильтры, фильтры и линии задержки и дроссели и катушки индуктивности.
Какие помехи различают при подборе
- Синфазная помеха. Токи помехи текут в одном направлении по обоим проводам линии и возвращаются через землю или через паразитные ёмкости. Источник — быстрые перепады напряжения на силовых ключах и в цепях с высокими частотами переключения. Подавляется синфазным дросселем на общем магнитопроводе.
- Противофазная помеха. Ток течёт по линии туда и обратно, как полезный ток. Источник — пульсации импульсного преобразователя. Подавляется цепочкой из дросселя и конденсатора, включённой в линию.
- Импульсные выбросы. Короткие перенапряжения от коммутации нагрузки, разряда статического электричества или наведённые в кабеле. Отводятся защитными компонентами, а не фильтрами.
- Излучаемая помеха. Уходит не по проводам, а полем — от печатных проводников и кабелей. Уменьшается компоновкой, экранированием и фильтрацией в точке выхода кабеля из платы.
Какие компоненты применяются
| Компонент | Что подавляет | По чему подбирается |
|---|---|---|
| Ферритовая бусина или трубка | Синфазную помеху в диапазоне десятков и сотен мегагерц | Импеданс на рабочей частоте помехи, допустимый постоянный ток, размер под проводник или кабель |
| Синфазный дроссель | Синфазную помеху в диапазоне от сотен килогерц | Индуктивность синфазного режима, ток насыщения, сопротивление обмотки |
| Дроссель в линии питания | Противофазную помеху и пульсации преобразователя | Индуктивность, ток насыщения, собственная резонансная частота, сопротивление постоянному току |
| Керамический конденсатор на землю | Высокочастотную составляющую в обоих режимах | Ёмкость, диэлектрик, номинальное напряжение, собственная индуктивность корпуса |
| Защитный диод | Импульсные выбросы напряжения | Напряжение пробоя, ёмкость перехода, рассеиваемая импульсная мощность |
| Варистор | Мощные выбросы в сетевых цепях | Классификационное напряжение, поглощаемая энергия, ток разряда |
| Предохранитель | Не помеху, а последствия отказа защитного элемента | Номинальный ток, характеристика срабатывания, отключающая способность |
Позиции этих групп собраны в разделах керамические конденсаторы, защитные диоды TVS и ESD, варисторы и терморезисторы и предохранители и держатели.
Как подбираются номиналы
Расчёт начинается не с номинала, а с того, какую частоту нужно подавить и на сколько.
- Определяется частота помехи. Для импульсного преобразователя основная составляющая равна частоте переключения, а мешает обычно не она, а её гармоники — от третьей и выше.
- Определяется требуемое подавление в этой полосе. Из него следует, хватит ли одного звена фильтра или нужны два последовательных.
- Подбирается индуктивность из условия, что частота среза звена лежит ниже подавляемой частоты, но выше полосы полезного сигнала.
- Проверяется ток. Дроссель должен работать вне области насыщения при максимальном токе цепи: в насыщении индуктивность падает и фильтр перестаёт работать именно в тот момент, когда нагрузка максимальна.
- Проверяется собственная резонансная частота. Выше неё дроссель ведёт себя как ёмкость, и подавления нет. По той же причине у конденсатора учитывается индуктивность выводов и корпуса.
- Считаются потери. Сопротивление обмотки дросселя даёт падение напряжения и нагрев, и для сильноточных цепей это ограничивает выбор сильнее, чем индуктивность.
Для ферритовых компонентов вместо индуктивности смотрят импеданс на частоте: у одного и того же типоразмера он различается в разы в зависимости от материала магнитопровода. Сердечники и типоразмеры собраны в разделе сердечники и аксессуары, общая номенклатура — в разделе индуктивные компоненты.
Где фильтр ставится на плате
- У входа питания, до всех остальных цепей. Фильтр, поставленный после разветвления, не защищает то, что подключено раньше него.
- В точке выхода кабеля из платы. Кабель работает как антенна, и фильтрация в месте выхода эффективнее, чем в середине платы.
- Рядом с источником помехи. Для DC/DC-преобразователей входной и выходной фильтры ставятся вплотную к модулю, чтобы контур тока помехи был как можно короче.
- С коротким соединением на землю. Длинный проводник к земляному полигону добавляет индуктивность и сводит работу конденсатора на нет.
- Без пересечения входных и выходных цепей фильтра. Если проводники до фильтра и после него идут рядом, помеха обходит фильтр через паразитную связь.
Частые вопросы
Чем ферритовая бусина отличается от дросселя? Бусина работает как частотно-зависимое сопротивление и рассеивает энергию помехи, дроссель накапливает её в магнитном поле и отражает. Бусина применяется на высоких частотах, дроссель — на более низких и в силовых цепях.
Почему фильтр перестал работать при увеличении нагрузки? Дроссель вошёл в насыщение. Проверяется ток насыщения относительно максимального тока цепи с учётом пусковых значений.
Можно ли поставить конденсатор побольше вместо дросселя? Нет. Конденсатор шунтирует помеху на землю, но на высоких частотах его собственная индуктивность ограничивает эффект, а в цепи с большим током он не снижает синфазную составляющую.
Нужен ли варистор, если уже стоит защитный диод? Задачи разные: варистор поглощает мощные выбросы сетевого уровня, защитный диод ограничивает быстрые импульсы малой энергии с точным порогом. В сетевых входах их ставят последовательно по схеме — сначала варистор, затем диод.
Что прислать для подбора? Напряжение и максимальный ток цепи, частоту переключения источника, характер помехи, требуемое подавление и полосу, допустимое падение напряжения и нагрев, типоразмер под плату и условия по температуре.
Что мы делаем
Определяем вид помехи и полосу, подбираем дроссели и ферритовые компоненты по импедансу и току насыщения, комплектуем звенья фильтра конденсаторами и защитными элементами, проверяем номиналы на нагрев и падение напряжения, предлагаем замену снятым с производства позициям. Позиции — в разделах ферритовые фильтры, фильтры и линии задержки, дроссели и катушки индуктивности и защитные диоды TVS и ESD.
Пришлите параметры цепи и характер помехи на micro@tkasiatorg.ru — подберём компоненты фильтра по частоте и току, проверим номиналы на нагрев и назовём сроки поставки.
