С развитием цифровых технологий для разработчиков электронного оборудования становится все более серьезной проблема электромагнитной совместимости различных устройств. Компания Murata, о которой мы подробно рассказывали в предыдущих номерах нашего журнала, уже более 10 лет принимает активное участие в решении этой проблемы.
Рис. 1. Причины возникновения (а) и способы подавления (б) электромагнитных помех
EMI-фильтры предназначены для подавления высокочастотного шума, возникающего в процессе работы различных устройств. Эти фильтры получили широкое распространение как элемент, подавляющий высокочастотные наводки в компьютерном оборудовании, периферии, цифровых схемах, аудио-, видеооборудовании и в других цифровых устройств. Кроме того, эти элементы используются для защиты от электромагнитных помех устройств, работающих в неблагоприятных условиях, таких как салон автомобиля и пр.
Необходимость в использовании фильтров возникает тогда, когда источник помех и помехочувствительное устройство находятся в непосредственной близости друг от друга. Такая ситуация изображена на рис. 1, а. Помеха передается по проводникам, которыми соединены различные устройства или блоки одного устройства, а также наводится в них внешним электромагнитным полем.
Рис. 2. Принцип работы емкостного фильтра
Для решения этой проблемы можно, во-первых, уменьшить уровень помех, излучаемый самим устройством-передатчиком (3), повысить помехозащищенность приемника (4), или, что наиболее желательно, применить оба способа (1), рис. 1, б.
Основные виды EMI-фильтров
Итак, EMI-фильтры предназначены для подавления ВЧ-помех (шума), приходящих от источника сигнала или наводящихся в проводниках под действием внешнего электромагнитного поля.
Рис. 3. Классический конденсатор и его эквивалентная схема
Шумоподавляющий эффект достигается за счет использования частотных свойств конденсатора или катушки индуктивности.
Соответственно, EMI-фильтры подразделяются на следующие виды:
Рассмотрим подавление ВЧ-шума с использованием емкостного фильтра (рис. 2). Конденсатор в такой схеме подключается между сигнальным проводником и «землей» устройства. С ростом частоты полное сопротивление конденсатора падает. Так как характер шума в основном высокочастотный, он отводится конденсатором на землю. В таких фильтрах могут использоваться обычные конденсаторы, подбирая емкость которых можно «вырезать» шум в заданном частотном диапазоне. Однако с ростом частоты эффективность таких фильтров сильно падает, что связано с паразитной индуктивностью выводов конденсатора (рис. 3).
Рис. 4. Трехвыводной конденсатор и его эквивалентная схема
В EMI-фильтрах фирмы Murata используется специальные трехвыводные проходные конденсаторы, характеризующиеся уменьшенным влиянием индуктивности выводов на фильтрующие свойства EMI-фильтра. Такие конденсаторы могут использоваться для подавления шума на частотах свыше 1 ГГц (рис. 4). Сравнительные характеристики емкостных фильтров приведены на рис. 5.
Рис. 5. Сравнительные характеристики классического и трехвыводного конденсаторов
В случае использования индуктивного элемента он включается последовательно в зашумленную цепь. Полное сопротивление индуктивности растет с увеличением частоты, что позволяет ослабить или подавить шумовые помехи (рис. 6).
Рис. 6. Принцип работы индуктивного фильтра
Как и в случае с конденсаторами, можно использовать индуктивности общего назначения в качестве EMI-фильтров. Однако при этом появляется опасность возникновения резонанса в цепях, содержащих индуктивность и искажение формы полезного сигнала.
Индуктивности, используемые в EMI-фильтрах фирмы Murata, при работе на высоких частотах по своим свойствам приближаются к резистору, что, во-первых, уменьшает вероятность возникновения паразитных колебаний, а во-вторых, не искажает форму полезного сигнала (рис. 7. R доминирует на высоких частотах).
Кроме конденсаторных и индуктивных фильтров, фирма Murata выпускает комбинированные фильтры, сочетающие в себе свойства конденсатора и варистора. Фильтры этой серии предназначены для подавления выбросов высокого напряжения и в основном используются во входных сигнальных цепях компьютерных устройств.
Рис. 7. Эквивалентная схема индуктивных фильтров Murata и их частотные характеристики (X — индуктивная составляющая; R — активная составляющая; Z — полное сопротивление)
На рис. 8 приведены сравнительные характеристики емкостных и индуктивных EMI-фильтров. Очевидно, что вносимое емкостным фильтром затухание более выражено по сравнению с индуктивным фильтром на заданной частоте. Это и неудивительно, если вспомнить устройство емкостных фильтров Murata. Однако применение этих фильтров требует наличия «правильного» заземления третьего вывода фильтра, что приводит к некоторому усложнению печатной платы электронного устройства. Фильтрующий эффект фильтров индуктивного типа не так ярко выражен, однако их применение не требует наличия «правильного» заземления в месте монтажа фильтра.
Линейка EMI-фильтров Murata
Как уже было сказано выше, фирма Murata выпускает очень широкий спектр EMI-фильтров различного назначения, способный удовлетворить любые запросы клиентов. Среди них фильтры конденсаторного и индуктивного типа — как выводные, так и поверхностного монтажа. Основные виды фильтров поверхностного монтажа и их технические характеристики приведены в табл. 1. Следуя общемировым тенденциям, фильтры Murata становятся все меньше и меньше. В настоящее время освоен выпуск индуктивных и конденсаторных фильтров поверхностного монтажа размером 0201.
EMI-фильтры для силовых цепей
Однако наиболее интересными с точки зрения отечественного конструктора-разработчика являются силовые фильтры для работы в цепях переменного тока. Не секрет, что качество российских электрических сетей оставляет желать лучшего. Связано это, во-первых, с большим количеством нерегулярных коммутационных импульсных помех, возникающих при включении или выключении мощных потребителей, которые способны привести, например, к сбоям в работе компьютерных систем, а во-вторых, с работой огромного числа импульсных преобразователей напряжения (блоков питания). Неправильное проектирование их входных цепей приводит к проникновению высокочастотных составляющих (сотни кГц) с силовую цепь. Такие помехи приводят к трудноуловимым сбоям в работе компьютерных систем, в особенности связанных со сбором данных от удаленных датчиков. Фильтры Murata позволяют предотвратить проникновение помех как со стороны электрической сети в устройство, так и в обратном направлении, тем самым значительно повышая надежность его работы.
Рис. 8 Сравнительные характеристики фильтров емкостного и индуктивного типа
Рассмотрим основные серии фильтров фирмы Murata:
Основные технические характеристики фильтров этой серии приведены в табл. 2 и на рис. 9.
К сожалению, объемы статьи не позволяют поместить полную информацию о EMI-фильтрах компании Murata. Мы планируем вернуться к этому разговору в одном из следующих номеров журнала.
Рис. 9. Фильтры компании Murata для силовых цепей
Дополнительную информацию вы можете получить в Интернете по адресам: www.murata.co.jp; www.alkon.net.
Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы
цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы
Как работает ЭМИ фильтр
Электромагнитное излучение (ЭМИ) в широком смысле определеются как электрические или магнитные помехи, которые ухудшают или нарушают целостность сигнала или компонентов и функциональность электронного оборудования. Электромагнитные помехи, которые охватывают радиочастотные помехи, обычно разбиваются на две широкие области. Узкополосные излучения обычно создаются человеком и ограничиваются крошечной областью радиочастотного спектра.
Шум, создаваемый линией электропередачи, также является хорошим примером узкополосного излучения. Они могут быть непрерывными или спорадическими. Широкополосные излучения могут быть как искусственными, так и естественными. Они имеют тенденцию влиять на большую область электромагнитного спектра. Они могут быть одноразовыми, случайными или непрерывными. Все от удара молнии до компьютеров генерирует широкополосное излучение.
Электромагнитные помехи, с которыми сталкиваются фильтры ЭМИ, могут быть вызваны разными способами. Внутри электрического устройства помехи могут создаваться импедансом, сопротивлением току во взаимосвязанной проводке. Это также может быть вызвано колебаниями напряжения в проводниках. Электромагнитные помехи генерируются извне космической энергией, такой как солнечные вспышки, линиями электропередач или телефонными линиями, приборами и шнурами питания. Значительная часть электромагнитных помех генерируется и передается по линиям электропередач к оборудованию. Фильтры электромагнитных помех могут быть как устройствами, так и внутренними модулями, которые предназначены для уменьшения или устранения этих типов помех.
Не углубляясь в сложную науку, скажем, что большинство электромагнитных помех находятся в диапазоне высоких частот. Это просто означает, что если бы сигнал был измерен, например, как синусоида, циклы были бы очень близки друг к другу. Фильтр ЭМИ имеет два типа компонентов, которые работают вместе для подавления этих сигналов: конденсаторы и катушки индуктивности. Конденсаторы подавляют постоянный ток, при котором значительное количество электромагнитных помех переносится в устройство, в то же время позволяя переменному току проходить. Катушки индуктивности – это, по сути, крошечные электромагниты, которые способны удерживать энергию в магнитном поле при прохождении через них электрического тока, уменьшая тем самым общее напряжение.
Конденсаторы, используемые в фильтрах электромагнитных помех, называются шунтирующими конденсаторами, которые перенаправляют ток в определенном диапазоне высокой частоты с цепи или компонента. Шунтирующий конденсатор подает высокочастотный ток / помехи на катушки индуктивности, которые расположены последовательно. Когда ток проходит через каждую катушку, общая сила или напряжение уменьшается. Оптимально, катушки индуктивности сводят помехи к нулю, также это называется замыканием на землю. Фильтры электромагнитных помех используются в самых разных областях. Их можно найти в лабораторном оборудовании, радиоаппаратуре, компьютерах, медицинских приборах и военной технике.
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.
С развитием цифровых технологий для разработчиков электронного оборудования становится все более серьезной проблема электромагнитной совместимости различных устройств. Компания Murata, о которой мы подробно рассказывали в предыдущих номерах нашего журнала, уже более 10 лет принимает активное участие в решении этой проблемы.
Назначение EMI-фильтров
EMI-фильтры предназначены для подавления высокочастотного шума, возникающего в процессе работы различных устройств. Эти фильтры получили широкое распространение как элемент, подавляющий высокочастотные наводки в компьютерном оборудовании, периферии, цифровых схемах, аудио-, видеооборудовании и в других цифровых устройств. Кроме того, эти элементы используются для защиты от электромагнитных помех устройств, работающих в неблагоприятных условиях, таких как салон автомобиля и пр.
Необходимость в использовании фильтров возникает тогда, когда источник помех и помехочувствительное устройство находятся в непосредственной близости друг от друга. Такая ситуация изображена на рис. 1, а. Помеха передается по проводникам, которыми соединены различные устройства или блоки одного устройства, а также наводится в них внешним электромагнитным полем.
Для решения этой проблемы можно, во-первых, уменьшить уровень помех, излучаемый самим устройством-передатчиком (3), повысить помехозащищенность приемника (4), или, что наиболее желательно, применить оба способа (1), рис. 1, б.
Основные виды EMI-фильтров
Итак, EMI-фильтры предназначены для подавления ВЧ-помех (шума), приходящих от источника сигнала или наводящихся в проводниках под действием внешнего электромагнитного поля.
Шумоподавляющий эффект достигается за счет использования частотных свойств конденсатора или катушки индуктивности.
Соответственно, EMI-фильтры подразделяются на следующие виды:
Рассмотрим подавление ВЧ-шума с использованием емкостного фильтра (рис. 2). Конденсатор в такой схеме подключается между сигнальным проводником и «землей» устройства. С ростом частоты полное сопротивление конденсатора падает. Так как характер шума в основном высокочастотный, он отводится конденсатором на землю. В таких фильтрах могут использоваться обычные конденсаторы, подбирая емкость которых можно «вырезать» шум в заданном частотном диапазоне. Однако с ростом частоты эффективность таких фильтров сильно падает, что связано с паразитной индуктивностью выводов конденсатора (рис. 3).
В EMI-фильтрах фирмы Murata используется специальные трехвыводные проходные конденсаторы, характеризующиеся уменьшенным влиянием индуктивности выводов на фильтрующие свойства EMI-фильтра. Такие конденсаторы могут использоваться для подавления шума на частотах свыше 1 ГГц (рис. 4). Сравнительные характеристики емкостных фильтров приведены на рис. 5.
В случае использования индуктивного элемента он включается последовательно в зашумленную цепь. Полное сопротивление индуктивности растет с увеличением частоты, что позволяет ослабить или подавить шумовые помехи (рис. 6).
Как и в случае с конденсаторами, можно использовать индуктивности общего назначения в качестве EMI-фильтров. Однако при этом появляется опасность возникновения резонанса в цепях, содержащих индуктивность и искажение формы полезного сигнала.
Индуктивности, используемые в EMI-фильтрах фирмы Murata, при работе на высоких частотах по своим свойствам приближаются к резистору, что, во-первых, уменьшает вероятность возникновения паразитных колебаний, а во-вторых, не искажает форму полезного сигнала (рис. 7. R доминирует на высоких частотах).
Кроме конденсаторных и индуктивных фильтров, фирма Murata выпускает комбинированные фильтры, сочетающие в себе свойства конденсатора и варистора. Фильтры этой серии предназначены для подавления выбросов высокого напряжения и в основном используются во входных сигнальных цепях компьютерных устройств.
На рис. 8 приведены сравнительные характеристики емкостных и индуктивных EMI-фильтров. Очевидно, что вносимое емкостным фильтром затухание более выражено по сравнению с индуктивным фильтром на заданной частоте. Это и неудивительно, если вспомнить устройство емкостных фильтров Murata. Однако применение этих фильтров требует наличия «правильного» заземления третьего вывода фильтра, что приводит к некоторому усложнению печатной платы электронного устройства. Фильтрующий эффект фильтров индуктивного типа не так ярко выражен, однако их применение не требует наличия «правильного» заземления в месте монтажа фильтра.
Линейка EMI-фильтров Murata
Как уже было сказано выше, фирма Murata выпускает очень широкий спектр EMI-фильтров различного назначения, способный удовлетворить любые запросы клиентов. Среди них фильтры конденсаторного и индуктивного типа — как выводные, так и поверхностного монтажа. Основные виды фильтров поверхностного монтажа и их технические характеристики приведены в табл. 1. Следуя общемировым тенденциям, фильтры Murata становятся все меньше и меньше. В настоящее время освоен выпуск индуктивных и конденсаторных фильтров поверхностного монтажа размером 0201.
EMI-фильтры для силовых цепей
Однако наиболее интересными с точки зрения отечественного конструктора-разработчика являются силовые фильтры для работы в цепях переменного тока. Не секрет, что качество российских электрических сетей оставляет желать лучшего. Связано это, во-первых, с большим количеством нерегулярных коммутационных импульсных помех, возникающих при включении или выключении мощных потребителей, которые способны привести, например, к сбоям в работе компьютерных систем, а во-вторых, с работой огромного числа импульсных преобразователей напряжения (блоков питания). Неправильное проектирование их входных цепей приводит к проникновению высокочастотных составляющих (сотни кГц) с силовую цепь. Такие помехи приводят к трудноуловимым сбоям в работе компьютерных систем, в особенности связанных со сбором данных от удаленных датчиков. Фильтры Murata позволяют предотвратить проникновение помех как со стороны электрической сети в устройство, так и в обратном направлении, тем самым значительно повышая надежность его работы.
Рассмотрим основные серии фильтров фирмы Murata:
Основные технические характеристики фильтров этой серии приведены в табл. 2 и на рис. 9.
К сожалению, объемы статьи не позволяют поместить полную информацию о EMI-фильтрах компании Murata. Мы планируем вернуться к этому разговору в одном из следующих номеров журнала.
