Фильтры подавления электромагнитных помех
Электромагнитные помехи (ЭМП, EMI) возникают при работе устройств генерации или преобразования электроэнергии:
• импульсных блоков питания;
• цепей нелинейных преобразователей мощности;
• генераторов
• мощных двигателей и т. п.
Для борьбы с помехами используются фильтры ЭМП. Электромагнитные помехи распространяются как по проводам (кондуктивные помехи), так и через окружающее пространство (излучаемые помехи). Кондуктивные помехи можно разделить на две составляющие: синфазные (common-mode) и дифференциальные (differential-mode). ЭМП негативно влияют на работу электронных устройств и могут вывести их из строя.
Сетевые фильтры широко применяются в системах автоматизации производства и в станках с ЧПУ. Фильтры представляют собой LC/RLC фильтры 1, 2 и 3 порядков. Обычно фильтры ЭМП устанавливаются у источников электромагнитных помех или перед приёмниками помех (рецепторами).
Такие фильтры рассчитаны на подавление помех, которые поступают по проводникам двух- и трёхфазной электросети на вход защищаемых устройств, то есть они принадлежат к «приёмной стороне». Фильтры подавления ЭМП пропускают напряжение сети частотой 50 или 60 Гц.
Конструктивно фильтры подавления ЭМП состоят из катушек индуктивности (дросселей) и конденсаторов, объединённых в мостовую конструкцию в металлическом или пластиковом корпусе.
Компания Purelogic R&D предлагает фильтры ЭМП для подавления синфазных и дифференциальных помех. Представлены модели с различным рабочим током и типом подключения, которые могут применяться в импульсных источниках питания и измерительном оборудовании.
Как спроектировать фильтр электромагнитных помех для DC-DC преобразователя?
Поставщики компонентов наперебой рассказывают, как просто при помощи их изделий создать готовое к промышленному выпуску решение. После посещения одного из таких мероприятий от Wurth Electronics по проектированию пассивных фильтров электромагнитных помех (ЭМП) у меня и моих коллег осталось непонимание методики подбора компонентов, и мы решил провести собственное исследование.
Сегодня мы постараемся рассеять маркетинговый туман и внести осознанность в проектирование фильтров ЭПМ для импульсных преобразователей (DC-DC) на примере прохождения испытаний на соответствие стандарту CISPR 25.
Таблица 1. Характеристики тестового импульсного преобразователя
Электрические характеристики
Номинальное выходное напряжение
Номинальный выходной ток
Номинальная выходная мощность
Пульсации выходного напряжения
Номинальное входное напряжение
Максимальное входное напряжение
Максимальный входной ток входном напряжении 12,5 В
Геометрические размеры
Диапазон рабочих температур
класс G по ISO16750-4 (п.4), класс А по ISO16750-1 (п.6)
CISPR 25 class 5
Структурная схема блока
В качестве опорного решения был выбран повышающий преобразователь топологии boost с технологией синхронного выпрямления. Был разработан электронный макет изделия в Altium Designer для последующей экстракции паразитных параметров печатной платы.
Рисунок 1. Структурная схема повышающего преобразователя
Несколько слов о методах борьбы с электромагнитными помехами в импульсной технике. На рисунке 2 представлены основные направления работы по уменьшению электромагнитных помех, излучаемых импульсными преобразователями. В данной публикации мы постараемся рассмотреть только работу с пассивными фильтрами электромагнитных помех.
Рисунок 2. Методы устранения электромагнитных помех в импульсных силовых преобразователях
Тестовый преобразователь построен на базе контроллера LM5122. Для проведения моделирования в программном пакете PSPICE была разработана модель для решения во временной области.
Подход, использованный в данной работе схож с тем, что предлагают производители пассивных компонентов, например, Wurth Electronics, для проектирования фильтров ЭМП импульсных преобразователей.
Типовой фильтр представлен на рисунке 3. Он имеет три секции и демпфер (для подавления резонансных явлений между фильтром и входным конденсатором).
Рисунок 3. Типовой пассивный фильтр электромагнитных помех
Для того, чтобы разобраться с проектированием пассивных фильтров в качестве стандарта был выбран CISPR 25.
В общем случае измерение помех в соответствии со стандартом CISPR 25 производится двумя способами: методом напряжений и методом токов. Рассмотрим метод напряжений.
В методе напряжений оценка уровня помех происходит путем измерения падения напряжения на измерительных резисторах, которые встроены в эквивалент сети (Line Impedance Stabilization Network — LISN). В процессе измерения анализатор спектра подключается к одному из измерительных разъемов эквивалента сети, другой разъем нагружается сопротивлением 50 Ом. Измерения производятся последовательно на обоих шинах питания.
На рисунках 4 и 5 представлены пути протекания токов синфазных и дифференциальных помех, которые в сумме и составляют полную величину тока помехи.
С точки зрения генерации помех особый интерес представляет точка соединения транзисторов и дросселя, именно здесь происходит колебание электрического потенциала с максимальной амплитудой. При открытии ключа VT1 потенциал этой точки становится равным 0, а в момент закрытия VT1 потенциал равен выходному напряжению (без учета падения напряжения на открытом транзисторе VT2 или кратковременно на его встроенном диоде). Целесообразно предположить, что емкости, образованные полигоном подключения силовых ключей и полигоном GND печатной платы или корпусом, являются основными путями протекания токов помех.
Рисунок 4. Путь протекания тока синфазной помехи 
Рисунок 5. Путь протекания тока дифференциальной помехи
Задача испытаний состоит в том, чтобы определить какой уровень помех генерирует устройство. Для имитации сети в процессе испытаний используется специальная схема — эквивалент сети. Он представляет собой электрический четырехполюсник, импеданс которого имеет постоянное значение в полосе частот, на которых производятся измерения во время испытаний. Соответствующую характеристики эквивалента сети можно найти в приложениях к тексту стандарта испытаний.
Рисунок 6. Эквивалент сети для для испытаний на соответствие стандарту CISPR 25
Величину полной помехи можно представить в виде двух составляющих: синфазной и дифференциальной. Дифференциальная помеха протекает через силовые проводники в разных направлениях. В отличие от дифференциальной составляющей синфазная помеха протекает по силовым проводам в одном направлении и замыкается через паразитную емкость между полигоном, к которому подключены силовые ключи, и корпусом. Из схем видно, что в одном измерительном плече эквивалента сети токи синфазной и дифференциальной помех складываются, а в другом вычитаются (рисунок 5). Исходя из этого можно написать:
Что приводит к следующим выражениям для определения уровня синфазных и дифференциальных помех :
Стандарт CISPR 25 нормирует уровень помех для измерения методом напряжения в дБмкВ.
С чего начать проектирование фильтра?
Основная задача фильтра снизить уровень генерируемых помех ниже пределов, заданных стандартом, на разных частотах. Допустимые уровни помех в соответствии со стандартом CISPR 25 class 5 представлены на рисунке 7.
Рисунок 7. Допустимые уровни помех в соответствии со стандартом CISPR 25 class 5
Проектирование фильтра начинается с анализа методики испытаний.
В соответствии со стандартом CISPR 25 испытания производятся в постановке, представленной на рисунке 8.
Рисунок 8. Методика измерения кондуктивных помех по стандарту CISPR25
Требуемое ослабление фильтра можно рассчитать по формуле:
– максимально допустимый уровень помех в соответствии со стандартом;
Частота среза фильтра может быть рассчитана:
Параметры основных индуктивностии емкости фильтра Могут быть определены из соотношения:
Элементы демпфера можно приблизительно рассчитать:
Расчет паразитной емкости
Рисунок 9. Расположение паразитных емкостей
Для примерной оценки величин паразитной емкости можно воспользоваться в первом приближении формулой емкости плоского конденсатора:
– расстояние между обкладками;
диэлектрическая проницаемость материала изолятора.
Так как обкладки паразитного конденсатора имеют значительно различную площадь, то применение формулы емкости даст приблизительный результат. Оценку величины этой емкости целесообразно провести методом конечных элементов (МКЭ).
Для этого подготовленную геометрию печатной платы необходимо загрузить в препроцессор МКЭ решателя (рисунок 10), и назначить элементам геометрии соответующие материалы.
Создание расчетной модели
Рисунок 10. Общий вид расчетной модели 
Рисунок 11. Полигон GND печатной платы 
Рисунок 12. Назначение условий возбуждения модели 
Рисунок 13. Металлическое основание испытательного стола Ground Reference Plane 
Рисунок 14. Задание возбуждения модели
Ко всем полигонам, участвующим в вычислении емкости, применяется условие возбуждения «Voltage».
Вычисление емкости можно производить при помощи решателя для статических моделей, моделей в частотной области или моделей во временной области.
Для вычисления емкости в статической постановке могут использоваться нижеприведенные зависимости.
Рисунок 15. Система тел, используемая для расчета взаимных емкостей
Для системы из нескольких заряженных тел может быть составлена система уравнений:
В матричной форме:
В диагональных элементах матрицы содержаться полные емкости элементов, остальные элементы матрицы представляют собой взаимные емкости.
Для расчета матрицы решатель производит приложение потенциала 1 В к одному элементу возбуждения модели, в то время как остальные элементы возбуждения имеют потенциал 0 В. Количество расчетов соответствует числу элементов возбуждения модели.
Если к металлическому элементу не назначено никакое условие возбуждения, то по умолчанию назначается условия Floating.
Для автоматического расчета матрицы емкости можно применить инструмент Matrix в программном пакете Ansys Maxwell.
Рисунок 16. Задание расчета матрицы емкости
После выполнения расчета получим значения взаимных емкостей между элементами модели.
Рисунок 17. Значения взаимных емкостей между элементами модели
Таблица 2. Исходные данные для расчета элементов фильтра
Таблица 3. Параметры фильтра
Таблица 4. Параметры элементов фильтра
После получения значений паразитных емкостей они были внесены в SPICE модель.
В процессе этого исследования было проведено моделирование различных фильтров, спроектированных для работы в преобразователях с различными частотами коммутации ключей (250, 350, 450 и 550 кГц). Увеличение частоты приводит к снижению размеров элементов фильтра, но сопровождается ростом потерь на силовых ключах, что является нежелательным. В статье приведены данные расчетов только для частоты 250 кГц, так как результаты на других частотах являются аналогичными.
Таблица 5. Характеристики синфазного дросселя
На частоте 250 кГц было проведено 4 вычислительных эксперимента:
— с Г образным LC фильтром;
— только синфазным дросселем;
— с комбинированным фильтром.
Рисунок 20. Спектр кондуктивной помехи на выводе V1 при отсутствии фильтра 
Рисунок 21. Спектр дифференциальной составляющей кондуктивной помехи на выводе V1 при отсутствии фильтра 
Рисунок 22. Спектр синфазной составляющей кондуктивной помехи на выводе V1 при отсутствии фильтра
Рисунок 23. Эскиз расчетной модели с Г-образным фильтром Результаты
Рисунок 24. Спектр кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении Г-образного фильтра 
Рисунок 25. Спектр дифференциальной составляющей кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении Г-образного фильтра 
Рисунок 26. Спектр синфазной составляющей кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении Г-образного фильтра
Рисунок 27. Эскиз расчетной модели с паразитными параметрами и синфазным дросселем Результаты
Рисунок 28. Спектр кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении синфазного дросселя 
Рисунок 29. Спектр дифференциальной составляющей кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении синфазного дросселя 
Рисунок 30. Спектр синфазной составляющей кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении синфазного дросселя
Рисунок 31. Эскиз расчетной модели с комбинированным фильтром
Идея комбинированного фильтра основывается на том, что синфазный дроссель кроме основной синфазной индуктивности имеет еще и паразитную дифференциальную индуктивность. Это позволяет предположить, что можно одновременно использовать оба параметра. В таком случае можно считать, что дифференциальная индуктивность является эквивалентом индуктивности фильтра обычного Г-образного фильтра.
Рисунок 32. Спектр кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении комбинированного фильтра 
Рисунок 33. Спектр дифференциальной составляющей кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении комбинированного фильтра 
Рисунок 33. Спектр синфазной составляющей кондуктивной помехи на выводе V1 при добавлении комбинированного фильтра
Результаты моделирования
По результатам моделирования можно сказать, что электронный блок, не оснащенный фильтром электромагнитных помех, не смог бы пройти испытаний на электромагнитную совместимость, так как уровни генерируемых помех значительно превышали бы установленные значения.
Применение Г-образного LC фильтра позволяет достичь уровней помех, установленных стандартом, но стоит учитывать допущения, принятые в процессе создания моделей. При расчете по аналитическим выражениям можно получить значения параметров элементов фильтра в первом приближении и использовать в качестве начальной точки при проектировании фильтра. Генерируемые помехи в этом случае немного превышают установленные значения или немного не доходят до них.
Снижение частоты среза Г-образного LC фильтра может не привести к уменьшению общего уровня помех, что ставит перед инженером вопрос о дальнейшей доработке проекта. Потенциально имеется два направления работы: применение синфазной секции фильтра или снижение площади полигона под транзисторами. Стоит помнить, что дБмкВ представляют собой логарифмическую величину, поэтому не стоит надеется на то, что уменьшение паразитной емкости в 2 раза приведет к снижению уровня помех в 2 раза.
Применение синфазного дросселя увеличивает габариты платы, в то время как снижение паразитной емкости требует изменения расположения элементов на печатной плате. Стоит учитывать дифференциальную индуктивность синфазного дросселя, при значительной величине данного параметра возможно совместить синфазный и дифференциальный фильтр.
В каждом конкретном случае решение остается за проектировщиком, но применение расчетных методик позволяет на начальном этапе произвести количественный анализ конструкции и выбрать оптимальное решение. Не стоит забывать о том, что моделирование зависит от точности исходных данных и допущений, принятых при создании моделей.
Если у вас нет PSPICE и Ansys, то вы можете использовать другое решение для моделирования схемы, например, LTSpice. Ansys можно попробовать заменить справочником по расчету емкостей Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости.
Фильтры электромагнитных помех компании Cosel — японское качество и надежность, проверенные временем.
Зачем нужны фильтры ЭМП, почему лучше купить, а не делать самим, как их выбирать и, если покупать, то у кого покупать
Типы ЭМП, природа их возникновения и пути их минимизации
ЭМП, создаваемые в импульсном источнике питания или преобразователе энергии, являются продуктом самой его природы, которая базируется на импульсах напряжения и тока, а регулирование напряжения, тока или мощности (в том числе и стабилизация) осуществляется методами широтной или широтно-частотной модуляции. Таким образом, эти устройства генерируют достаточно широкий частотный спектр помех с соответствующей их мощности энергией, которые влияют не только на работу каскадов конечного устройства, но и на стороннее оборудование, подключенное к общей линии электропитания (кондуктивная ЭМП) или находящееся вблизи подобного устройства (излучаемая ЭМП), как показано на рис. 1. По сути их природы, ЭМП разделяются на типы в зависимости от пути прохождения тока помехи.
Рис. 1. Распределение ЭМП на примере типового импульсного AC/DC-преобразователя
Кондуктивные ЭМП, а это электромагнитные помехи, распространяющиеся по проводящим конструкциям и «земле», проявляются как со стороны входа на линии питания (вход АС), так и со стороны выхода (нагрузка). И в первом, и во втором случае они могут быть дифференциальными (Normal Mode) и синфазными (Common Mode), как по входу — соответственно (1) и (2), так и по выходу — соответственно (3) и (4).
Излучаемые ЭМП (5) могут и наводят синфазные ЭМП, которые в случае несогласованности или неоднородностей в линиях подключения могут создавать дифференциальные ЭМП. Соответственно, при конструировании импульсных блоков питания или преобразователей возникает необходимость в поиске решения для подавления кондуктивных помех по входу (в линии питания), по выходу (в линии подключения нагрузки) и общее решение по минимизации излучаемых ЭМП.
В первом случае, для того чтобы шумы, которые приводят к возникновению ЭМП и появляются внутри блока питания (преобразователя), не возвращались на его входную сторону, в блок питания встраивается фильтр, необходимый для их минимизации (подавления). Поскольку мы имеем дело с двумя типами кондуктивных помех, то и фильтр должен быть сконструирован так, чтобы подавлять и синфазную, и дифференциальную ЭМП. Подавление требуется в полосе частот от 10 кГц для аппаратуры военного и специального назначения и от 150 кГц для аппаратуры широкого и индустриального применения и контролируется для всех типов оборудования до частоты 30 МГц [1].
Как правило, для этого используется специальный одно- или двухкаскадный LC-фильтр π-фильтра. Для подавления синфазной ЭМП предлагается синфазный дроссель, который содержит две (для однофазной сети) или три (для трехфазной сети) связанные симметричные обмотки с точно обозначенным началом каждой из них и выполненные на одном замкнутом сердечнике из материала с высокой магнитной проницаемостью. Использование таких сердечников не нарушает работоспособности фильтра, поскольку при должной симметрии они не имеют склонности к насыщению, так как постоянная составляющая тока создает в них противоположное по знаку магнитное поле и вычитается. Это свойство позволяет проектировать фильтры ЭМП для постоянного тока, предназначенные для уменьшения пульсаций выходного напряжения источников питания на основе AC/DC- и DC/DC-преобразователей.
Для подавления дифференциальной ЭМП можно использовать дроссель (катушка индуктивности), однако для удешевления решения и снижения его массогабаритных характеристик и себестоимости такой отдельный дифференциальный дроссель в фильтрах ЭМП, как правило, не используется. Вместо него применяют индуктивность рассеивания синфазного дросселя, которая проявляется из-за неидеальности реальных дросселей и может задаваться конструктивно. Индуктивность рассеяния между обмотками Ls обычно составляет около 3% от индуктивности обмотки Lc и может быть эффективно использована для фильтрации высокочастотных дифференциальных помех [9].
Причина такого интересного и необычного решения состоит и в том, что необходимо избежать насыщения сердечника. Схемы типовых входных фильтров ЭМП для однофазной электросети показаны на рис. 2, а типовая характеристика подавления синфазной и дифференциальной ЭМП приведена на рис. 3 [6].
Рис. 2. Типовые топологии одно- и двухкаскадного входного фильтра ЭМП для однофазной сети
Рис. 3. Характеристика подавления синфазной и дифференциальной ЭМП фильтра NAC 16-472 компании Cosel
Кроме правильной топологии и выбора элементов фильтра, здесь имеют значение и соответствующие конструктивные подходы, необходимые, чтобы эффективность фильтра не была нивелирована. Важно не размещать входные цепи вблизи каскадов, связанных с преобразованием электрической энергии. А чтобы уменьшить помехи, излучаемые источником питания, требуется минимизировать влияние линий подключения, то есть фильтр следует подключать как можно ближе к входным клеммам источника питания. Общие рекомендации показаны на рис. 4 [7].
Рис. 4. Пути распространения и меры для минимизации кондуктивных ЭМП по входу блока питания
Для противодействия выходным ЭМП нужно подключать источник питания к нагрузке толстыми и как можно более короткими проводами. Если по той или иной причине это невыполнимо, то дифференциальную ЭМП можно уменьшить, установив на выходной линии конденсатор или фильтр, как это показано на рис. 5 [7].
Рис. 5. Меры для минимизации кондуктивных ЭМП по выходу блока питания и типовая схема выходного фильтра
Проблема минимизации излучаемых ЭМП, а они нормируются и контролируются в полосе частот 30 МГц — 1 ГГц, а в ряде случаев и до 5 ГГц [1], осложняется тем, что они представляют собой радиоволны. Такие радиоволны излучаются от кабелей, в том числе входных и выходных линий подключения, и даже от сигнальных линий, идущих к внешней стороне устройства, и все они в той или иной мере обладают антенным эффектом. По этой причине сначала необходимо принять соответствующие контрмеры, чтобы избежать помех на линии ввода/вывода. Если этого недостаточно, следует прибегнуть к дополнительным решениям, таким как снижение крутизны фронтов и использование фильтра на линиях передачи данных. Не менее эффективным здесь окажется и экранирование, но поскольку излучаемые от источника питания ЭМП содержат высокочастотные составляющие часто с очень широким спектром, то эффективность экранирования зависит от материала экрана, его установки и условий окружающей среды. Однако в первую очередь нужно очистить от помех входную и выходную линии подключения блока питания.
Если корпус устройства не металлический, то для того, чтобы заглушить или увести помеху в источнике питания на землю, будет весьма эффективно применение металлической пластины или металлической пленки. Это обеспечивает низкий импеданс по напряжению переменного тока между источником питания и приложением, соответственно, оно будет менее подвержено влиянию шума от блока питания. Пути излучения ЭМП и общие рекомендации по минимизации их уровня приведены на рис. 6 [7].
Рис. 6. Пути распространения излучаемых ЭМП и общие рекомендации по минимизации их уровня
На этом проблемы не заканчиваются. Помехи могут носить явно выраженный импульсный характер в виде одиночных импульсов высокого напряжения, которые рождаются не в самом преобразователе, а приходят на его вход извне. Поскольку рассмотренные выше фильтры ЭМП — это по своей сути фильтры низкой частоты (ФНЧ), они должны быть сконструированы так, чтобы поглощать подобные импульсы путем их интегрирования, и такая характеристика фильтра должна нормироваться. Большую роль в этом играет правильный выбор материала сердечника [6]. Пример различия в импульсных характеристиках фильтров приведен на рис. 7.
Рис. 7. Пример сравнения характеристик подавления импульсов длительностью 1 мкс фильтрами компании Cosel в зависимости от материала сердечника синфазного дросселя
Кроме того, нельзя забывать и о демпфировании фильтров, в противном случае при воздействии импульсов они сами станут источниками помех в виде гармонического переходного процесса. Реальный фильтр, по причине неидеальности входящих в него компонентов и разводки печатной платы, а также из-за взаимного влияния компонентов, не будет идеальным.
Ряд физических факторов, приводящих к неидеальности фильтров в интересующем нас частотном диапазоне, указан в CISPR 17: 2011 (стандарт описывает методы измерения характеристик подавления пассивных фильтрующих устройств и аналога в виде ГОСТ Р не имеет), в их числе:
- насыщение сердечника дросселя подавления синфазных помех;
- снижение магнитной проницаемости сердечников с ростом частоты;
- паразитные явления в пассивных компонентах фильтра — эквивалентная последовательная индуктивность (equivalent series inductance, далее — ESL) и эквивалентная последовательная емкость (equivalent series capacitance, далее — EPC);
- взаимные связи по электромагнитному полю между компонентами фильтра;
- неоптимальное подключение к земле (общему проводу), связанное с особенностями конструктивного исполнения фильтра.
То есть в реальном фильтре нет и не будет идеальных проводников, индуктивностей, конденсаторов, у них появятся собственные резонансы, а также возникнут взаимные связи (индуктивные и емкостные) между компонентами фильтра. Реальную модель, например синфазного дросселя, можно посмотреть в [10]. Если неидеальность компонентов необходимо учитывать при разработке любого фильтра ЭМП, то связи между компонентами для фильтров малой мощности не столь заметны, однако при проектировании фильтров большой мощности мы уходим уже в уже область электромагнитного взаимодействия [5].
Даже в результате столь краткого экскурса в область генерации ЭМП и решения проблем минимизации их уровня, который не только влияет на работу конечного приложения, но и жестко регламентирован соответствующими стандартами, видно, что потребность в специализированных фильтрах для их подавления довольно высока и эти, простые на первый взгляд, устройства не так просты, как кажется. А делать что-то надо, поскольку ЭМС — та проблема, от решения которой не уйти (подробно в серии статей [1]). В связи с этим возникает вопрос: а как, собственно, поступить? Можно ли самим разработчикам конечного продукта создать такой фильтр? Можно. (Как сказала героиня известного фильма Эльдара Рязанова: «Можно, конечно, и зайца научить курить. В принципе, ничего нет невозможного… для человека с интеллектом».) Но стоит ли? Нет, не стоит, если вы, конечно, не планируете начать их массовый выпуск как самостоятельного продукта.
Разработка такого фильтра потребует времени и немалых затрат, а изготовление — определенных технологий, специфических компонентов, поиска поставщиков и доставку от разных производителей, но главное, понадобятся опыт и технологическая дисциплина. Нестабильность в намотке синфазного дросселя, даже на уровне плюс-минус полвитка, приводит к критическому изменению уровня подавления синфазной ЭМП [8].
Кроме того, данный продукт придется не только изготавливать, но и регулярно тестировать, а также сертифицировать по безопасности, как минимум в составе конечного приложения. Изменение в конструкции фильтра, даже замена типа лишь одного элемента, может потребовать повторения дорогой и затратной по времени сертификации, причем в ряде случаев опять-таки конечного приложения [1]. Учитывая, что вам, как правило, потребуется относительно небольшая партия таких фильтров, оптимальным вариантом будет их приобретение. Теперь возникает законный вопрос: а что, собственно, покупать? И второй: у кого?
Как выбрать оптимальный фильтр ЭМП
Выполнение требований по ЭМС — проблема, от решения которой, как уже было сказано, не уйти, и решать ее необходимо начиная с самых ранних стадий проектирования. Надежда на русский авось и подходы по типу «вали кулем, потом разберем» здесь не работают. Отсутствие должного внимания к ее решению, по опыту автора статьи, в том числе и горькому, приводит к дополнительным, часто значительным затратам времени и средств на доработку, а то и переработку уже «готового» решения, которое проваливалось на сертификации [1].
В первую очередь при выборе фильтра необходимо учитывать область его применения и назначение. Здесь, в том числе и от компании Cosel, для выбора доступны однофазные, трехфазные фильтры ЭМП для подавления помех по входу AC/DC- и DC/DC-преобразователей, фильтры для шин постоянного тока и фильтры по выходу AC/AC- и DC/AC-преобразователей, которые, кроме подавления помех, обеспечивают необходимую форму выходного сигнала.
Вторым важным моментом являются номинальное рабочее напряжение и ток фильтра, обеспечивающие необходимую мощность. Здесь же следует учитывать и вносимые фильтром потери вне полосы подавления помех. С этой целью для фильтра задается его сопротивление по постоянному току или максимальное падение напряжения. Потери приводят к нагреву элементов фильтра, в первую очередь сердечников дросселей, изменяя их магнитную проницаемость, что влияет на характеристики подавления ЭМП. Нагрев также негативно скажется и на надежности фильтра. Поэтому нужно учитывать, что характеристики мощности (чаще по рабочему току) для большинства фильтров ЭМП зависят от температуры и снижаются с ее увеличением. Поэтому в спецификациях фильтров приводится график снижения мощности (Derating Curve), определяющий максимально допустимый коэффициент нагрузки фильтра от температуры. Пример такого графика приведен на рис. 8.
Рис. 8. График снижения мощности для фильтра NAH 06 компании Cosel в зависимости от температуры окружающей среды
Третья характеристика фильтра — его амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), ее задают отдельно для синфазного и дифференциального сигналов. Если нужно большее подавление, следует выбирать двухзвенные фильтры, однако в обычной ситуации, если преобразователь рассчитан верно, то, как правило, достаточно однозвенных фильтров. Схемы типовых фильтров приведены ранее на рис. 2, а типовые АЧХ — на рис. 3. Кроме частотных, для некоторых фильтров нормируются и их временные характеристики. Однако здесь есть подвох. Согласно стандарту, АЧХ нормируются в системе 50 Ом. То есть выходное сопротивление источника испытательного сигнала и сопротивление нагрузки фильтра при испытаниях являются резистивными с импедансом 50 Ом (подробно, включая схемы измерений, в [6]). Соответственно, в реальных условиях при включении фильтра уже в состав конкретного приложения его АЧХ может отличаться и при отсутствии должного демпфирования даже приводить к росту помех. С точки зрения выбора фильтров по частотным и временным характеристикам компания Cosel предлагает своим клиентам очень широкий выбор.
Выбор АЧХ фильтра влияет на ток утечки. А значит, этот факт следует учитывать, исходя из требований к конечному приложению. Ток утечки обязательно задается в спецификации на конкретный тип фильтра ЭМП.
Определившись с базовыми электрическими характеристиками фильтра ЭМП можно перейти к выбору его конструктивных особенностей, а именно к конструктивному исполнению — форм-фактору (обычный или низкопрофильный), креплению (на поверхность или на DIN-рейку), типу терминалов для подключения, устойчивости к механическим нагрузкам (вибрация, удары). Также необходимо учитывать и условия окружающей среды и осуществлять выбор в соответствии с климатическим исполнением, диапазоном рабочих температур и влажностью.
Последним, но от этого не менее важным, является выбор фильтра в соответствии с требованиями по безопасности — максимально допустимое напряжение изоляции, устойчивость к разрядам статического электричества, пожаробезопасность. Эти характеристики, чтобы потом не возникли проблемы с сертификацией продукции [1], должны быть подкреплены соответствующими сертификатами непосредственно на выбранный фильтр.
И конечно же, учитывайте рекомендации по применению выбранного вами фильтра ЭМП, который не только должен быть изготовлен надежным производителем, но и получен от надежного поставщика — только так можно быть уверенным в его характеристиках и надлежащей работоспособности. Одним из таких изготовителей и является компания Cosel, гарантирующая поставки качественной продукции через сеть своих авторизованных поставщиков. Поскольку это не столь известный в Российской Федерации производитель, следует познакомиться с ним поближе.
Предложение компании Cosel
Продукция компании Cosel, интересующая нас в рамках данной статьи, представлена одно- и трехфазными фильтрами ЭМП, имеющими одноступенчатую и двухступенчатую структуру. Фильтры представлены разными сериями и разработаны для оптимального подавления синфазных, дифференциальных и импульсных помех. Они имеют разные рабочие напряжения и токи, уровни подавления помех, токи утечки и конструктивное исполнение. Широкий выбор фильтров предназначен для обширного спектра их возможных применений.
Однофазные фильтры
Все фильтры рассчитаны на работу с однофазным напряжением 250 В AC и 250 В DC. Фильтры предусматривают подключение по типу Push-down («вставил и нажал») с фиксацией отверткой и имеют вариант исполнения для монтажа на DIN-рейку (исполнение с суффиксом D). Далее представлены общие особенности конструктивного и схемотехнического исполнения, а также разделение фильтров по сериям в зависимости от применения и индивидуальных характеристик.
Фильтры серии NA
Габаритные размеры фильтров серии NA 53×41×92 мм, вес 300 г (max). Схемы и внешний вид фильтров серии NA приведены на рис. 9.
Рис. 9. Примеры конструктивного исполнения и схемы электрические принципиальные одноступенчатых фильтров ЭМП серии NA
Фильтры серии NB
Габаритные размеры фильтров серии NB 53×43×104 мм, вес 320 г (max). Схемы и внешний вид фильтров серии NB приведены на рис. 10.
Рис. 10. Примеры конструктивного исполнения и схемы электрические принципиальные одноступенчатых фильтров ЭМП серии NB
Фильтры серий EA и ES
Габаритные размеры фильтров серии E 39×30×85 мм, вес 170 г (max). Схемы и внешний вид фильтров серий EA и ES приведены на рис. 11.
Рис. 11. Примеры конструктивного исполнения и схемы электрические принципиальные фильтров ЭМП серий EA и ES
Фильтры для подавления кондуктивных ЭМП в оборудовании общего применения
Устанавливаются в устройствах с импульсными источниками питания, однофазными инверторами, в роботизированных системах с сервоприводами.
Серия NAC
Это серия одноступенчатых фильтров ЭМП широкого применения, обеспечивающих высокий уровень подавления синфазных ЭМП в диапазоне частот 150 кГц – 1 МГц. В серии NAC доступны фильтры с рабочими токами 4, 6, 10, 16, 20 и 30 А при максимальном падении напряжения на фильтре, равном 1 В. Токи утечки и амплитудно-частотная характеристика фильтров зависят от номиналов Y‑конденсаторов. Варианты исполнения фильтров серии NAC представлены в таблице 1.
Блочный фильтр ЭМП (EMI) для источников питания
Блочный фильтр ЭМП (рис. 1, таблица) — это составной фильтр для подавления электромагнитных помех, его выпускает компания Murata Manufacturing Co., Ltd. под маркой BNX. Входящие в состав фильтравысококачественный проходной конденсатор и многослойный керамический конденсатор большой емкости обеспечивают подавление электромагнитных помех в широком диапазоне частот. Дроссель в цепи общего провода позволяет в значительной степени подавлять помехи, распространяющиеся по «земле».
Рис. 1. а) Блочный фильтр ЭМП серии BNX; б) пример характеристики вносимых потерь (BNX022-01); в) схема включения
Высокая эффективность подавления помех фильтрами серии BNX сделала эти изделия оптимальным выбором для фильтрации помех в силовых цепях самого разнообразного оборудования. Малоразмерная серия BNX012 с толщиной корпуса 8 мм была выпущена в продажу в 2003 году. Она рассчитана на случаи, когда фильтры предыдущих серий BNX не могут быть смонтированы на печатной плате ввиду миниатюризации электронного оборудования.
Недавно компания выпустила еще более компактные фильтры — BNX022 и BNX023, предназначенные для поверхностного монтажа (SMD). Корпус SMD-фильтров серии BNX имеет толщину 3,1 мм — это меньше, чем у фильтров с проволочными выводами BNX012/BNX016, которые сами по себе достаточно миниатюрны. Их можно паять оплавлением для одновременного монтажа с SMD-компонентами. По характеристикам подавления помех SMD-фильтры эквивалентны изделиям предыдущих серий и при этом рассчитаны на номинальный ток 10 или 15 А.
Подавление помех блочными фильтрами ЭМП
В чем же заключается эффект от использования фильтров серии BNX для подавления помех?
Подавление помех в силовых кабелях
На рис. 2 приведен пример эксперимента, демонстрирующего подавление помех от силового кабеля, подсоединенного к оборудованию, при использовании внешнего блока питания. Цифровые цепи электронного оборудования, работающие на частоте 30 МГц, питаются от преобразователя постоянного тока. Когда к печатной плате подсоединен внешний блок питания, по силовому кабелю распространяются как помехи от самого преобразователя постоянного тока, так и помехи от цифровых цепей, проходящие через преобразователь. Установив в соединитель силового кабеля малоразмерный фильтр серии BNX012 с проволочными выводами, можно добиться существенного (от 10 до 20 дБ) подавления помех в диапазоне частот от 100 до 700 МГц. Фильтры серии BNX, содержащие конденсатор большой емкости и высокоэффективный проходной конденсатор, характеризуются способностью подавлять помехи в широком диапазоне частот при использовании всего одного фильтра. Можно ожидать, что эта их особенность будет использоваться для подавления внешних помех (обеспечения помехоустойчивости) в случаях, когда частоту помехи предсказать невозможно.
Рис. 2. а) Меры по блокированию излучения помех силовыми кабелями; б) результат измерения
Помехи переключения в импульсных источниках питания
В ИИП и преобразователях постоянного тока напряжение преобразуется в импульсном режиме. В этой связи выходное напряжение может содержать помехи, время от времени образующиеся при переключении. На рис. 3 показан пример подавления помех переключения, в котором фильтр BNX002-01 практически бесследно устраняет помехи данного типа.
Рис. 3. Подавление помех переключения в импульсных источниках питания:
а) испытательная схема; б) без фильтра (вырабатывается высокочастотная помеха амплитудой до 0,5 В); в) используется BNX002-01 (фильтр BNX подавляет большую часть помехи)
Подавление импульсного шума
В местах расположения высоковольтного электрического оборудования — например, промышленных металлорежущих станков — функционирование оборудования может нарушаться под воздействием импульсных помех, таких как коммутационные перенапряжения. Высокая эффективность подавления ЭМП фильтрами серии BNX позволяет применять их и для подавления импульсных помех. На рис. 4 показано, как фильтр подавляет помехи, вырабатываемые генератором импульсных помех. Эта демонстрация была выполнена с тремя типами фильтров: BNX002-01 (обычный), BNX012-01 (малоразмерный) и BNX022-01 (SMD). Во всех трех случаях импульсная помеха с амплитудой 4 кВ была подавлена.
Рис. 4. а) Схема подавления импульсных помех; б) помехи до испытания; в) помехи после испытания
Меры по защите от статического электричества
С миниатюризацией полупроводниковых элементов все большую актуальность приобретает проблема предотвращения их повреждения в результате действия электростатических разрядов (рис. 5). Фильтры серии BNX обеспечивают достаточную защиту от электростатических разрядов, возникающих в источниках питания.
Рис. 5. Сравнение сигнальных кривых электростатических разрядов
Выводы
Благодаря своей высокой эффективности блочные фильтры ЭМП используются во многих типах электрического оборудования. Однако в свете последних тенденций — миниатюризации и внедрения SMD-технологии — возникает необходимость в изменении их конфигурации. В этой связи компания вывела на рынок блочные фильтры ЭМП в малоразмерном и SMD-испол-нении. Выпущены также малоразмерные SMD-фильтры BNX024H01/BNX025H01, характеризующиеся высокой надежностью (обязательное требование в автомобильной промышленности). Эти блочные фильтры ЭМП позволяют реализовывать разнообразные меры по подавлению помех, включая стабилизацию напряжения, блокирование нежелательного излучения, подавление импульсных помех и электростатических разрядов.
Ожидается, что спрос на такие высокоэффективные фильтры ЭМП будет расти. В дальнейшем компания Murata намерена выпустить еще ряд моделей блочных фильтров ЭМП, учитывающих изменения в конфигурации оборудования и его сетевом окружении.