Herausfiltern von Gleichtaktstörungen mit monolithischen EMI-Filtern

Von Mike Santora | 9. August 2019

Trotz der Beliebtheit von Gleichtaktdrosseln könnten monolithische EMI-Filter eine Alternative sein. Bei richtiger Anordnung bieten diese mehrschichtigen Keramikkomponenten eine hervorragende Unterdrückung von Gleichtaktstörungen.

Viele Faktoren erhöhen die Menge an „Rauschen“-Interferenzen, die elektronische Geräte beschädigen oder deren Funktionalität beeinträchtigen können. Ein Paradebeispiel hierfür sind die heutigen Automobile. In einem einzigen Fahrzeug finden Sie WLAN, Bluetooth, Satellitenradio, GPS-Systeme, und das ist erst der Anfang. Um diese Störgeräusche zu bewältigen, verwendet die Industrie typischerweise Abschirmungen zusammen mit EMI-Filtern, um unerwünschtes Rauschen zu eliminieren. Doch mittlerweile reichen einige der herkömmlichen Lösungen zur Eliminierung von EMI/RFI nicht mehr aus.

Dieses Problem führt dazu, dass viele OEMs Optionen wie 2-Kondensatoren-Differential, 3-Kondensatoren (ein X-Kondensator und 2 Y-Kondensatoren), Durchführungsfilter, Gleichtaktdrosseln oder Kombinationen davon meiden, um geeignetere Lösungen wie z monolithische EMI-Filter, die eine bessere Rauschunterdrückung in einem kleineren Gehäuse bieten.

Wenn elektronische Geräte starke elektromagnetische Wellen empfangen, können unerwünschte elektrische Ströme im Stromkreis induziert werden und unbeabsichtigte Vorgänge verursachen – oder den beabsichtigten Betrieb beeinträchtigen.

EMI/RFI können in Form von leitungsgebundenen oder abgestrahlten Emissionen auftreten. Wenn EMI geleitet wird, bedeutet das, dass sich das Rauschen entlang der elektrischen Leiter ausbreitet. Gestrahlte EMI entsteht, wenn sich Lärm in Form von Magnetfeldern oder Radiowellen durch die Luft ausbreitet.

Auch wenn die von außen zugeführte Energie gering ist, kann es bei Vermischung mit den für Rundfunk und Kommunikation verwendeten Radiowellen zu Empfangsverlusten, ungewöhnlichen Tongeräuschen oder Bildstörungen kommen. Ist die Energie zu stark, können elektronische Geräte beschädigt werden.

Zu den Quellen gehören natürliche Geräusche wie elektrostatische Entladung, Beleuchtung und andere Quellen sowie künstliche Geräusche wie Kontaktgeräusche, undichte Geräte, die hohe Frequenzen verwenden, unerwünschte Emissionen und andere. Normalerweise handelt es sich bei EMI/RFI-Rauschen um Gleichtaktrauschen. Daher besteht die Lösung darin, unerwünschte hohe Frequenzen mit einem EMI-Filter zu eliminieren, entweder als separates Gerät oder eingebettet in Leiterplatten.

EMI-FilterEMI-Filter bestehen typischerweise aus passiven Komponenten wie Kondensatoren und Induktivitäten, die zu Schaltkreisen verbunden sind.

„Die Induktivitäten lassen Gleichstrom oder niederfrequente Ströme durch und blockieren gleichzeitig die schädlichen unerwünschten hochfrequenten Ströme. Die Kondensatoren bieten einen niederohmigen Pfad, um das hochfrequente Rauschen vom Eingang des Filters wegzuleiten oder zurück in die Stromversorgung zu leiten.“ Versorgung oder an den Erdungsanschluss", sagt Christophe Cambrelin von Johanson Dielectrics, einem Unternehmen, das mehrschichtige Keramikkondensatoren und EMI-Filter herstellt.

Herkömmliche Gleichtaktfilteransätze umfassen Tiefpassfilter mit Kondensatoren, die Signale mit einer Frequenz unter einer ausgewählten Grenzfrequenz durchlassen und Signale mit Frequenzen über der Grenzfrequenz dämpfen.

Ein üblicher Ausgangspunkt besteht darin, ein Paar Kondensatoren in einer Differenzkonfiguration einzusetzen, mit einem Kondensator zwischen jeder Leiterbahn und Masse des Differenzeingangs. Der kapazitive Filter in jedem Zweig leitet EMI/RFI oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz zur Erde um. Da bei dieser Konfiguration ein Signal mit entgegengesetzter Phase über zwei Drähte gesendet wird, wird das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert, während unerwünschtes Rauschen zur Erde geleitet wird.

„Leider variiert der Kapazitätswert eines MLCC mit X7R-Dielektrikum (typischerweise für diese Funktion verwendet) erheblich mit der Zeit, der Vorspannung und der Temperatur“, sagt Cambrelin.

„Selbst wenn also die beiden Kondensatoren zu einem bestimmten Zeitpunkt bei Raumtemperatur und niedriger Spannung genau aufeinander abgestimmt sind, ist es sehr wahrscheinlich, dass sie am Ende einen ganz anderen Wert haben, sobald sich Zeit, Spannung oder Temperatur geändert haben. Diese Nichtübereinstimmung zwischen Die beiden Leitungen führen dazu, dass die Reaktion in der Nähe der Filtergrenze ungleich ist. Daher wird Gleichtaktrauschen in Differenzrauschen umgewandelt.“

Eine andere Lösung besteht darin, einen „X“-Kondensator mit großem Wert über die beiden „Y“-Kondensatoren zu brücken. Der „X“-Kondensator-Shunt liefert den gewünschten Effekt des Gleichtaktausgleichs, allerdings mit dem unerwünschten Nebeneffekt der Differenzsignalfilterung. Die vielleicht gebräuchlichste Lösung und Alternative zu Tiefpassfiltern ist die Gleichtaktdrossel.

Eine Gleichtaktdrossel ist ein 1:1-Transformator, bei dem beide Wicklungen sowohl als Primär- als auch als Sekundärwicklung fungieren. Bei diesem Ansatz induziert der Strom durch eine Wicklung einen Gegenstrom in der anderen Wicklung. Leider sind Gleichtaktdrosseln auch schwer, teuer und anfällig für Ausfälle durch Vibrationen.

Dennoch ist eine geeignete Gleichtaktdrossel mit perfekter Anpassung und Kopplung zwischen den Wicklungen transparent für Differenzsignale und weist eine hohe Impedanz gegenüber Gleichtaktrauschen auf. Ein Nachteil von Gleichtaktdrosseln ist der begrenzte Frequenzbereich aufgrund der parasitären Kapazität. Für ein bestimmtes Kernmaterial gilt: Je höher die Induktivität, die zur Erzielung einer Niederfrequenzfilterung verwendet wird, desto größer ist die Anzahl der erforderlichen Windungen und die daraus resultierende parasitäre Kapazität, die die Hochfrequenzfilterung zunichte macht.

Eine Abweichung zwischen den Wicklungen aufgrund mechanischer Fertigungstoleranzen kann zu einer Modusumwandlung führen, bei der ein Prozentsatz der Signalenergie in Gleichtaktrauschen umgewandelt wird und umgekehrt. Dieses Szenario wirft elektromagnetische Verträglichkeits- und Immunitätsprobleme auf. Fehlanpassungen verringern auch die effektive Induktivität in jedem Zweig.

Ungeachtet dessen haben Gleichtaktdrosseln einen erheblichen Vorteil gegenüber anderen Optionen, wenn Differenzsignale (zur Weiterleitung) im gleichen Frequenzbereich wie das Gleichtaktrauschen arbeiten, das unterdrückt werden muss. Mit einer Gleichtaktdrossel kann sich der Signaldurchlassbereich bis in den Gleichtaktunterdrückungsbereich erstrecken.

Monolithische EMI-Filter Trotz der Beliebtheit von Gleichtaktdrosseln können monolithische EMI-Filter eine Alternative sein. Bei richtiger Anordnung bieten diese mehrschichtigen Keramikkomponenten eine hervorragende Unterdrückung von Gleichtaktstörungen. Sie vereinen zwei symmetrische Shunt-Kondensatoren in einem einzigen Gehäuse mit gegenseitiger Induktivitätsaufhebung und Abschirmwirkung. Diese Filter nutzen zwei separate elektrische Pfade innerhalb eines einzigen Geräts, das an vier externe Anschlüsse angeschlossen ist.

Um Verwirrung vorzubeugen, sollte beachtet werden, dass ein monolithischer EMI-Filter kein herkömmlicher Durchgangskondensator ist. Obwohl sie identisch aussehen (gleiche Verpackung und äußeres Erscheinungsbild), ist ihr Design sehr unterschiedlich und sie sind nicht auf die gleiche Weise miteinander verbunden. Wie andere EMI-Filter dämpfen monolithische EMI-Filter die gesamte Energie über einer bestimmten Grenzfrequenz und lassen nur die erforderliche Signalenergie durch, während sie unerwünschtes Rauschen zur „Masse“ umleiten.

Der Schlüssel liegt jedoch in der sehr niedrigen Induktivität und der angepassten Impedanz. Bei monolithischen EMI-Filtern sind die Anschlüsse intern mit einer gemeinsamen Referenzelektrode (Abschirmung) innerhalb des Geräts verbunden, und die Platten sind durch die Referenzelektrode getrennt. Elektrostatisch werden die drei elektrischen Knoten durch zwei kapazitive Hälften gebildet, die gemeinsame Referenzelektroden haben, die alle in einem einzigen Keramikkörper enthalten sind.

Das Gleichgewicht zwischen den Kondensatorhälften bedeutet auch, dass die piezoelektrischen Effekte gleich und entgegengesetzt sind und sich aufheben. Dieser Zusammenhang wirkt sich auch auf Temperatur- und Spannungsschwankungen aus, sodass die Komponenten auf beiden Leitungen gleichermaßen altern. Ein Nachteil dieser monolithischen EMI-Filter besteht darin, dass sie nicht verwendet werden können, wenn das Gleichtaktrauschen die gleiche Frequenz wie das Differenzsignal hat. „In diesem Fall ist die Gleichtaktdrossel die bessere Lösung“, sagt Cambrelin.

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