Emi фильтр что это
Часто задаваемые вопросы о применении EMI-фильтров на шинопроводах
Есть ли необходимость установки EMI-фильтров на шинопроводы?
Да, такая необходимость определенно существует и обусловлена тем, что шинопроводы могут иметь площадь и протяженность, достаточные для наведения помех на другие близлежащие системы. При правильной установке EMI-фильтров в таких системах можно добиться уровня электромагнитных помех ниже требуемого по регламенту, тем самым создав «тихую» электрическую среду для датчиков и систем управления.
Источником электромагнитных помех являются токи, быстро меняющиеся во времени, то есть токи с высоким значением di/dt. Если такой ток протекает в контуре, это может создавать шум, влияющий на близлежащие системы и оборудование. В то же время на сами контуры, в зависимости от их площади, могут воздействовать внешние наводки, что снижает защиту системы от внешнего излучения.
Какие типы EMI существуют в шинопроводах?
Существует два типа электромагнитных помех: кондуктивные (Conducted) и излучаемые (Radiated). Кондуктивные EMI подразумевают электромагнитные помехи, возникающие из-за устройств коммутации в системе. Такие помехи в конечном итоге возвращаются обратно к их источнику (рис. 1). Кондуктивные EMI могут носить как дифференциальный характер (воздействуют только на одну шину питания), так и синфазный (воздействуют на обе шины).
Рис. 1. Помехи EMI передаются из промышленной системы в электросеть потребителя и воздействуют на подключенные к ней устройства
Излучаемые (Conducted) EMI – это помехи, излучаемые узлами переключения во внешнюю среду. Они могут влиять на другие устройства в системе, но главное – также могут создавать помехи для таких внешних устройств как радиоприемники, сотовые телефоны, телевизионные станции и прочее.
Существуют специальные регламенты, которые регулируют допустимый уровень обоих типов EMI для защиты потребителей от возможной потери сигнала или его ухудшения. Кроме того, сильное воздействие EMI способно повредить устройство настолько, что оно станет небезопасным в использовании или потеряет свою работоспособность.
Какие имеются рекомендации по снижению EMI для шинопроводов?
Первая и основная рекомендация – это уменьшить площади контуров, то есть расположить шинопроводы максимально близко друг к другу. Однако близкое расположение может спровоцировать эффект приближения (Proximity effect), при котором магнитные поля, создаваемые током в шинопроводах, снизят эффективное сечение проводящего металла. Одним из способов снижения площади контура без возникновения эффекта приближения является использование чередующихся или многослойных шинопроводов с применением изолирующих материалов, приближающих характеристики шинопровода к значениям, демонстрируемым проходящими по воздуху проводниками. Стоит также учесть, что уменьшение площади контура снизит индуктивность в шинопроводах и приведет к незначительному увеличению емкости, однако емкость не оказывает существенного влияния на системы постоянного тока и редко является проблемой в сетях с частотой 50 или 60 Гц.
Существует ли быстрое решение для снижения EMI?
Да, например, одним из таких решений является установка ферритовых петель на шинопроводы (рис. 2). Петли представляют собой более габаритную версию так называемых ферритовых трубок или бусин (от слова beads). Некоторые ферритовые петли для шинопроводов состоят из двух частей, так что их можно установить на уже существующие участки. Другие представляют собой сплошное кольцо, которое можно установить только при сборке системы, иначе для установки придется демонтировать существующие участки.
Рис. 2. Установка ферритовой петли вокруг шинопровода. Петля может использоваться в качестве крепежного зажима
Если в системе присутствуют EMI, носящие дифференциальный характер, решением может стать подключение конденсаторов между шинопроводами. Опасность такого подхода заключается в том, что в системах переменного тока через эти конденсаторы может происходить утечка. В свою очередь для борьбы с излучаемыми EMI стоит использовать экранированные корпуса, которые предотвратят утечку помех в окружающую среду.
Существуют ли готовые решения?
Хотя ферритовые петли и дискретные конденсаторы могут помочь снизить общий уровень электромагнитных помех, зачастую наилучшим выходом будет использование готового решения, представляющего собой фильтр электромагнитных помех для шинопровода (рисунок 3). Таким образом, в системе будет использоваться компонент, созданный специально для этих целей и изготовленный в соответствии со всеми необходимыми требованиями. Фильтры для шинопроводов также доступны в многополюсной конфигурации (рисунок 4). В конечном итоге в систему можно установить столько фильтров, сколько потребуется для соответствия необходимому уровню EMI.
Рис. 3. Готовое решение – фильтр EMI для шинопровода
Рис. 4. Готовое решение – трехфазный фильтр EMI для шинопровода с многополюсной конфигурацией
Стоит учесть, что включение одного подобного фильтра может быть недостаточным для соблюдения необходимых требований и регламентов. Следует уменьшать излучаемые и кондуктивные помехи в каждой подсистеме проекта по мере их подключения. В итоге к тому времени как проект подойдет к стадии тестирования, уровень EMI будет значительно ниже.
Избавит ли готовое решение от всех проблем с ЭМИ?
К сожалению, это маловероятно. Для соответствия EMI существующим регламентам установки внешнего фильтра может быть недостаточно. Многое зависит от проектирования системы, например, снижение площади контуров и использование экранированных корпусов значительно облегчит задачи внешнего фильтра и снизит уровень электромагнитных помех.
Появление силовых устройств на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN) позволило значительно увеличить скорость коммутации, снизить потери и повысить эффективность системы, однако перед их применением следует убедиться, что уровень электромагнитных помех, генерируемых новыми компонентами, не будет превышать допустимые пределы.
Тестирование системы EMI обычно происходит уже при завершении проекта, когда система построена и готова к запуску. Как следствие, возможное несоответствие регламентам, выявленное в ходе такого тестирования, может повлечь за собой внесение изменений в конструктив системы. Лучше с самого начала проектирования придерживаться методов, позволяющих держать EMI в допустимых пределах, а также выделить время и средства на включение в систему внешних дополнительных фильтров. В конце концов, если тестирование покажет, что фильтры и экранированные корпуса являются необязательным элементом, их всегда можно удалить и использовать в других проектах.
Как выбрать силовой ЭМИ-фильтр
Импульсные преобразователи по определению являются источниками повышенного уровня шума и электромагнитного излучения (ЭМИ). Быстрые переключения силовых ключей характеризуются высокими значениями di/dt и dv/dt, что и приводит к появлению шума в широком диапазоне частот. В большинстве стран мира регулирующие организации устанавливают ограничения на допустимый уровень генерируемых шумов и ЭМИ. В результате разработчикам приходится тратить много времени и сил на борьбу с источниками шума и фильтрацию помех. Однако, даже если источник питания соответствует нормативным актам, его добавление в состав конечного изделия может привести к превышению допустимого уровня шумов, что потребует дополнительной фильтрации для получения одобрения регулирующих органов. Готовые фильтры электромагнитных помех (ЭМИ-фильтры), при правильном выборе, оказываются самым простым способом снижения шумов и обеспечения требований нормативных актов.
ЭМИ и электромагнитная совместимость
Проблемы с электромагнитной совместимостью (ЭМС) возникают при наличии трех факторов: источника помех, приемника помех и пути распространения помех.
Источниками являются те устройства или узлы схемы, которые в процессе своей работы генерируют помехи. Кроме импульсного источника питания помехи могут генерировать и другие устройства, например, микропроцессоры, видеодрайверы, ВЧ-генераторы и т. д.
Шум, создаваемый источником помех, может распространяться в пространстве двумя способами. Первый – в виде радиочастотного излучения, которое представляет собой электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве и воздействующие на окружающие объекты. Второй – в виде кондуктивных помех, передающихся по проводникам электронного устройства (например, по трассам и полигонам печатной платы, по выводам компонентов, по проводам и т. д.). Помехи могут проникать в цепи питания и воздействовать на другое оборудование, подключенное к этим же линиям.
Приемники помех – это устройства, которые испытывают на себе воздействие внешних шумов. В качестве приемников могут выступать практически все аналоговые и цифровые схемы.
При испытаниях электромагнитной совместимости уровни кондуктивных и радиочастотных помех измеряются отдельно. Каждый из этих типов помех имеет собственные допустимые значения и характерный частотный диапазон. Кроме того, методы борьбы с этими помехами также отличаются. Радиочастотные помехи охватывают более высокий частотный диапазон (обычно от 30 МГц до 1000 МГц), и поскольку они распространяется в пространстве, то бороться с ними очень сложно. Помимо грамотной расстановки компонентов для ослабления радиочастотных шумов можно использовать экранирование. Кондуктивные помехи охватывают более низкий частотный диапазон (обычно от 0,15 МГц до 30 МГц), и, поскольку они распространяются по проводникам, то для борьбы с ними применяют ЭМИ-фильтры. Для фильтрации помех можно использовать фильтры, созданные из дискретных компонентов, а можно воспользоваться готовыми модульными ЭМИ-фильтрами.
ЭМИ-фильтры и системные требования
У разработчиков, решивших воспользоваться готовым ЭМИ-фильтром (рис. 1), могут возникнуть некоторые проблемы с выбором подходящей модели. В таких случаях для начала следует убедиться, что выбранный фильтр соответствует требованиям системы по основным электрическим параметрам. Основными электрическими параметрами фильтра являются:
Рис. 1. Пример ЭМИ-фильтра
Характеристики ЭМИ-фильтра
После выбора ЭМИ-фильтра, который потенциально отвечает требованиям системы по основным электрическим параметрам, необходимо проверить фактическую эффективность его фильтрации на практике. В документации обычно приводят два графика вносимого ослабления фильтра: один для синфазных помех, а второй для дифференциальных (см. рисунки 2 и 3.). Эти графики показывают, насколько будет ослабляться сигнал, проходя через фильтр.
Вносимое ослабление – это отношение сигнала на входе фильтра к сигналу на выходе, измеряемое в децибелах, как показано в следующем уравнении:
Ослабление (дБ) = 20 Log 10 (нефильтрованный сигнал/ отфильтрованный сигнал)
Это уравнение можно решить относительно выходного отфильтрованного сигнала следующим образом:
Рис. 2. Ослабление синфазных помех
Рис. 3. Ослабление дифференциальных помех
В некоторых случаях в документации на фильтр отсутствуют графики ослабления, а вместо этого приводятся значения затухания шума для конкретных частотных диапазонов в виде таблицы. Например, в таблице может быть указано ослабление 30 дБ в диапазоне от 150 кГц до 1 ГГц.
Последний пункт, который следует учитывать при выборе фильтра, заключается в том, что сопротивление источника и нагрузки влияет на поведение фильтра. Ослабление, вносимое фильтром и указанное в документации, относится к случаю конкретного импеданса (обычно 50 Ом). Очевидно, что импеданс разрабатываемой схемы может быть совсем другим. Таким образом, хотя фильтр может хорошо выглядеть на бумаге, важно протестировать его работу в условиях конкретного приложения, чтобы проверить его эффективность с учетом особенностей источника и нагрузки.
Выбор ЭМИ-фильтра
Рис. 4. Частотный спектр устройства с фильтром и без него
Рис. 5. Ослабление, вносимое ЭМИ-фильтром
Кроме того, следует убедиться, что ослабления, вносимого фильтром, будет достаточно, чтобы пройти испытания на ЭМС во всем частотном диапазоне. Если же в документации на фильтр приводится всего лишь одно значение затухания, то следует убедиться, что этого ослабления хватит для поглощения самой мощной помехи схемы.
Вывод
Импульсные источники питания являются мощными источниками электромагнитных помех, что вынуждает разработчиков использовать дополнительную фильтрацию, чтобы предотвратить негативное влияние шумов на другие электронные устройства. Большинство импульсных источников питания имеют входные ЭМИ-фильтры, но из-за широкого спектра приложений этого не всегда хватает для того, чтобы успешно пройти окончательные испытания ЭМС в составе конечной системы. Готовые фильтры электромагнитных помех – это быстрый и простой способ уменьшения уровня помех, в тех случаях, когда встроенного фильтра оказывается недостаточно. Готовые ЭМИ-фильтры помогают существенно снизить время разработки. В настоящее время на рынке присутствуют различные типы фильтров: фильтры для цепей переменного напряжения, фильтры для цепей постоянного напряжения, фильтры для монтажа на плату, корпусные фильтры с монтажом на DIN-рейку и т.д.
Недостатки простых EMI-фильтров
Если выбирать EMI-фильтр исходя только из размера и цены, без учета требуемых характеристик, то экономия может получиться иллюзорной. Это легко доказывает автор статьи.
Принципы EMI-проектирования лучше всего применять уже собственно на этапе проектирования, т.к. хорошая механическая конструкция, включая расположение компонентов и разводку кабелей, может уменьшить электромагнитные проблемы источника. Однако даже при правильном учете принципов электромагнитной совместимости (ЭМС) обязательно следует обеспечивать фильтрацию. Цена и размер часто побуждают к использованию простых фильтров. Иногда такая экономия может оказаться неоправданной, т.к. простые схемы не всегда обеспечивают требуемые результаты. Могут возникнуть серьезные проблемы с совместимостью, если требуется соответствие спецификациям по ЭМС. В статье обсуждаются некоторые часто встречающиеся проблемы и их решения.
При использовании конденсаторов для подавления, как самостоятельно, так и в составе фильтра, важно, чтобы его выводы были как можно короче. Идеальный конденсатор емкости C имеет линейную характеристику импеданса Z = 1/2πfC, где f — частота. Однако реальный двухвыводной конденсатор имеет резонанс на частоте, определяемой его емкостью и индуктивностью его выводов L. Эта резонансная частота рассчитывается как f = 1/2π√LC. Ниже резонансной частоты импеданс конденсатора описывается идеальной характеристикой, однако выше резонансной частоты подавляющие свойства конденсатора резко ухудшаются. Удлинение выводов приводит к уменьшению резонансной частоты и потере эффективности конденсатора.
Это явление проиллюстрировано на рисунке 1, где сравниваются импедансы 1 мкФ конденсатора с выводами длиной 20 и 100 мм. Индуктивность выводов двухвыводного конденсатора обычно составляет 7 нГн на 10 мм длины, что дает резонансную частоту около 800 кГц для 1-мкФ конденсатора с выводами по 20 мм. Заштрихованная область на графике показывает потерю эффективности при увеличении длины выводов с 20 до 100 мм.
Выше резонансной частоты двухвыводной конденсатор ведет себя как дроссель с индуктивностью, равной индуктивности выводов L. Его импеданс становится равен Z = 2πfL. Если требуется подавление на частотах выше резонансной в приложениях «линия-на-землю», необходимо применять конденсаторы проходного типа. За исключением нескольких мелких резонансов, связанных с размерами корпуса конденсатора, характеристика проходного конденсатора близка к идеальной.
На рисунке 2 показано, как выглядят двухвыводные и проходные конденсаторы. На рисунке 3 сравниваются характеристики проходного и двухвыводного конденсатора емкостью 1 мкФ. Заштрихованная область на рисунке показывает область характеристик, недостижимую при помощи двухвыводного конденсатора, но доступную при помощи проходного конденсатора той же емкости.
По той же причине хорошие высокочастотные характеристики фильтра можно получить, только если в нем использованы проходные конденсаторы. Например, на рисунке 4 сравниваются вносимые потери простого фильтра постоянного тока с П-звеньями на проходных и на двухвыводных конденсаторах. Заштрихованная область показывает дополнительный выигрыш от использования проходных конденсаторов. Обратите внимание, что на этом графике показаны вносимые потери, обратно пропорциональные импедансу, поэтому график выглядит перевернутым по отношению к предыдущим графикам, но более привычно по отношению к графикам потерь.
Многие старые спецификации ЭMC определяют требования по излучению и чувствительности оборудования только для частот до 30 МГц, и обычно фильтры на двухвыводных конденсаторах вполне отвечают этим требованиям. Новые спецификации требуют ЭMC на частотах до 1 ГГц и выше. Это требование призвано обеспечить некоторую защиту от высокочастотного шумового загрязнения, создаваемого быстрыми процессорами, мобильными телефонами, быстродействующей силовой электроникой и т.д.
Пользователь должен знать, что даже если его оборудование имеет знак CE, декларирующий совместимость с существующими спецификациями ЭMC, у него все равно могут возникнуть проблемы. Пока оборудование не будет снабжено соответствующим высокочастотным фильтром с проходными конденсаторами, вряд ли оно будет защищено от случайных ВЧ-помех на частотах выше 30 МГц. Поэтому пользователь остается ответственным за проблемы, вызванные неполадками оборудования вследствие чувствительности к ВЧ-помехе.
Даже если используются проходные конденсаторы, это может быть неэффективно, если фильтр или конденсатор установлены неправильно и не экранируют вход от выходных выводов. Паразитная связь вследствие излучений и наводок на соединительные провода гораздо более выражена на более высоких частотах, поэтому требуется больше усилий, чтобы этого не допустить. Фильтр должен быть идеально установлен на рейке или сквозь нее, чтобы полностью изолировать входные провода от выходных. Либо следует использовать экранированные провода с одной или обеих сторон фильтра, чтобы предотвратить образование связи. На рисунке 5 показано, что происходит, если такой фильтр не установлен на рейке или не применены экранированные провода. Заштрихованная область показывает потерю высокочастотной эффективности.
Электромагнитные помехи (ЭМП) бывают двух видов: асимметричные между линией и землей и симметричные между линиями. Компоненты подавления, подходящие для борьбы с одним видом помех, могут не оказывать влияния на другой, поэтому требуется отдельный набор компонентов, иначе соединенных. При выборе фильтрующей цепи важно знать, один или оба вида помех требуют подавления, чтобы выбрать фильтр с нужными компонентами. Проще говоря, для асимметричной фильтрации требуются синфазные дроссели и конденсаторы между линией и землей, а для симметричной — однопроводные дроссели и конденсаторы между линиями.
Однопроводные дроссели в фильтрах приходят в насыщение при увеличении тока нагрузки, при этом их эффективность теряется. Следует убедиться, что заявленные показатели эффективности относятся к условиям полной нагрузки, т.к. эффективность при полной нагрузке может быть существенно ниже, чем без нагрузки.
В большинстве задач фильтрации обычно требуется некоторая асимметричная характеристика по частотному диапазону до 1 ГГц. Симметричная характеристика если и нужна, то только на частотах ниже 10 МГц. Определенная симметричность характеристики часто обеспечивается компонентами печатной платы.
Величина вносимых потерь фильтров и подавляющих компонентов всегда заявляется для 50-Ом систем. Традиционно считалось, что эта цифра представляет характеристический импеданс силовых линий на радиочастотах. С широким распространением ключевых устройств и контроллеров силовой электроники, типичным стал более низкий импеданс источника. В таких случаях показатели эффективности конденсатора или фильтра будут отличаться от тех, что заявлены в каталоге или описании. Для самых простых фильтрующих цепей, использованных в этих приложениях, реальная эффективность будет ниже ожидаемой.
На рисунке 6а сравнивается эффективность простого П-фильтра в 50-Ом системе с таким же фильтром на импедансе 0,1/100 Ом (источник 0,1 Ом и 100-Ом импеданс нагрузки), что является, может быть, более типичным для силовых приложений. Заштрихованная область демонстрирует существенную потерю эффективности в реальной системе по сравнению с заявленной 50-Омной. Хотя на рисунке в качестве примера показан фильтр с проходными конденсаторами, фильтр с двухвыводными конденсаторами демонстрирует похожее снижение эффективности в системе с другим импедансом. Чтобы получить требуемую эффективность в реальной системе, необходимо адаптировать цепь фильтра так, чтобы получить максимальное рассогласование импедансов фильтра и системы. Обычно это означает, что нужен фильтр с индуктивным входом навстречу низкоимпедансному источнику шума.
Еще одним аспектом, о котором многие и не подозревают, является то, что на практике фильтры могут давать усиление на определенных частотах из-за разницы импеданса фильтра и импедансов источника и нагрузки. Это усиление обычно возникает на частоте, близкой к частоте отсечки фильтра, и часто не очевидно или не существует при измерениях в 50-Ом системе. Однако в более реальной ситуации, когда импеданс и источника, и нагрузки не равен 50 Ом, усиление может достигать 10 дБ и более.
На рисунке 6б в качестве примера показана характеристика фильтра из рисунка 6а, измеренная вплоть до низких частот, чтобы показать этот эффект. Как видно из рисунка, в 50-Ом системе есть резонанс около частоты отсечки 10 кГц, но нет усиления. Однако этот же фильтр в системе 0,1/100 Ом показывает усиление около 12 дБ на 7 кГц.
Следует заметить, что хотя это усиление реально, его величина и частота зависят от импедансов действительного источника и нагрузки реальной цепи, а также от значений компонентов цепи фильтра. Если на частоте усиления нет EMI-шума, нет и усиления, поэтому данное явление не стоит внимания. Как правило, на практике это именно так, ведь фильтр обычно рассчитан на фильтрацию более высокочастотного шума. Однако могут быть приложения, в которых это происходит, и пользователь должен знать об этой возможности.
На рынке имеется много типов простых фильтров многочисленных производителей, но многие из них могут иметь некоторые или все описанные выше проблемы в конкретных приложениях. Все важнее становятся стандартные линейки проходных конденсаторов и фильтров на проходных конденсаторах, разработанных для всех или некоторых проблемных областей. Некоторые из доступных стандартных линеек фильтров не только включают проходные конденсаторы, но и цепи их разработаны так, чтобы обеспечить лучшую характеристику в случае низкоимпедансного источника. В своих каталогах некоторые производители заявляют эффективность как в 50-Ом, так и в 0,1/100-Ом системах, что очень полезно.
На рисунке 7 приведен пример стандартных фильтров с проходными конденсаторами с креплением на рейке для обеспечения оптимальной эффективности на высоких частотах. На рисунке 8 показаны стандартные фильтры, разработанные для переключательных режимов силовых приложений и обеспечивающие хорошую эффективность в 0,1/100-Ом системе. В качестве альтернативы на рисунке 9 показана стандартная линейка проходных конденсаторов с отличными высокочастотными характеристиками и по небольшой цене там, где не требуются полные фильтры.