Недостатки простых EMI-фильтров

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.

Рис. 1. Частотная характеристика 1 мкФ двухвыводного конденсатора с 20- и 100-мм выводами

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.

Рис. 2. Типичный внешний вид проходных и двухвыводных конденсаторов

Рис. 3. Импеданс и вносимые потери 1-мкФ проходного конденсатора и 1-мкФ двухвыводного конденсатора

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.

Рис. 4. Характеристика фильтра постоянного тока с П-звеньями с проходными и с двухвыводными конденсаторами

Рис. 5. Сравнение характеристик корректно установленного сетевого фильтра с проходными конденсаторами с фильтром, установленным без рейки или экранирования

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.

а)	б)
Рис. 6. Частотная характеристика простого фильтра постоянного тока с П-звеньями с проходными конденсаторами: а) в 50-Ом системе по сравнению 0,1/100-Ом; б) тот же фильтр в области низких частот

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.

Рис. 7. Стандартная линейка аппаратурных фильтров с проходными конденсаторами

Рис. 8. Стандартный фильтр для переключательных режимов силовой электроники с проходными конденсаторами, обеспечивающий хорошую эффективность в 0,1/100-Ом системе

Рис. 9. Стандартные линейки проходных конденсаторов

В статье описывается несколько сложных моментов, из-за которых ожидаемая эффективность фильтра или конденсатора может быть не достигнута на практике. Выбирая стандартный фильтр по каталогу, потребитель должен убедиться, что в выбранном фильтре решены проблемы, рассмотренные в статье. При этом может потребоваться немного более специализированный фильтр. В критических приложениях лучше получить совет по выбору фильтра от специализированной компании, имеющей опыт в области фильтров для обеспечения электромагнитной совместимости. Поставщик должен быть знаком со всеми описанными выше проблемами и способен дать быструю и точную консультацию по выбору самого экономичного решения для конкретного приложения.