Lassen Sie uns darüber sprechen, warum Filter versagen

Dieser Artikel geht kurz auf die Fallstricke einer ordnungsgemäßen Filterung ein. Wir werden uns einige der Gründe ansehen, warum die Filter, von denen Sie vielleicht glauben, dass sie funktionieren, oft nicht funktionieren, wenn sie in reale Schaltkreise eingebaut werden. Also... reden wir darüber, warum Filter versagen.

Haben Sie schon einmal unzählige Stunden damit verbracht, nach dem Ihrer Meinung nach bestmöglichen Filter mit der bestmöglichen Leistung für Ihre spezifischen Anforderungen zu suchen und ihn zu finden? Und dann wurde festgestellt, dass es nach der Installation kaum noch HF-Emissionen unterdrückt? Ein Grund für diese mangelnde Leistung könnte sein, dass der Filterhersteller die Dämpfungseigenschaften für Gleichtakt- (CM) oder Differenzialmodus-Rauschen (DM) getestet hat und aus seinen Spezifikationen nicht klar hervorgeht, welches er verwendet hat. Wenn Ihre Emissionsprobleme hauptsächlich CM betreffen, die Dämpfung des Filters jedoch für DM angegeben ist, werden Sie Probleme mit der erfolgreichen Implementierung des Filters haben.

Ein weiteres Problem könnte mit dem Standard zusammenhängen, der zum Testen der Filterleistung verwendet wird (normalerweise MIL-STD-220). Typischerweise werden Filter durch ihre Einfügungsdämpfung (IL) charakterisiert, ausgedrückt in dB. Es handelt sich um ein Maß für die Lastreduzierung bei der gegebenen Frequenz durch den Einsatz des Filters. Der IL eines Filters hängt von den Quellen- und Lastimpedanzen ab und sollte nicht unabhängig von den Anschlusslast-/Quellenimpedanzen angegeben werden, sondern richtet sich häufig nach MIL-STD-220. Die Messgeräte, Quell- und Lastimpedanzen, Eingangsdämpfer und andere Komponenten sind mit einer idealen charakteristischen Impedanz von 50 Ω spezifiziert. Es kommt selten vor, dass so etwas wie ein Netzteil-Eingangskreis die gleiche ideale Impedanz von 50 Ω aufweist. Die Lastimpedanz, die ein Filter wirklich sieht, wird nicht genau 50 Ω entsprechen. Außerdem verfügt der Eingangsdämpfer über eine Serienimpedanz, die etwaige Resonanzen dämpfen kann. Dies stellt ein Problem dar, da der beim Test verwendete Dämpfer im Endprodukt nicht vorhanden ist.

Ein weiteres Problem ist der während des Tests angelegte Strom. Die Testmethode erfordert keinen Stromfluss im Filter während des Tests. Daher passt sie nicht zu dem Stromkreis, für den der Filter gedacht ist, egal was passiert. Der Wert der Induktivität im Filter kann unterschiedlich sein, wenn Gleichstrom fließt. Wenn eine Drossel außerhalb ihres angegebenen Strombereichs verwendet wird, kann sie in die Sättigung gehen, sodass sie nicht mehr die ursprünglich vorgesehene Impedanz liefern kann.

Aus diesen Gründen folgt eine perfekte Filtertestsituation nicht unbedingt der Standardmethode, sondern ist auf die spezifische Impedanz der EMI-Testversorgung zugeschnitten und nutzt das tatsächliche Schaltnetzteil, das für das Produkt geplant ist und mit der erwarteten Stromaufnahme betrieben wird . Die Einfügedämpfungs- oder Dämpfungseigenschaften eines Filters sollten bei Leerlauf- und Volllaststrompegeln ermittelt werden, um potenziellen Benutzern die besten Ergebnisse und Informationen zu liefern.

Auch ungeschirmte Filterelemente können Probleme verursachen. Wenn Filterkomponenten ungeschirmt und auf einer Leiterplatte montiert sind, die Rauschquellen wie Schaltnetzteile oder digitale Logikschaltungen mit schneller Anstiegszeit enthält, wird das Rauschen häufig sowohl an die Filterkomponenten als auch an die Eingangsanschlüsse des Filters gekoppelt. Dieses unerwünschte Übersprechen reduziert die Dämpfungsfähigkeiten des Filters teilweise oder sogar vollständig. Eine ähnliche Situation kann auftreten, wenn Eingangs-/Ausgangsstromleitungen zum Filter zu nahe beieinander verlegt werden. Dieses Problem kann gemildert werden, indem der Netzfilter abgeschirmt und an der Wand des Gerätegehäuses montiert wird, wobei der Eingangsstromanschluss am Filtergehäuse montiert wird. Es hilft auch, die Ein-/Ausgangsanschlüsse weit voneinander entfernt zu halten.

Beim Hinzufügen von Tiefpassfiltern zu I/O-Signalleitungen stellen Sie möglicherweise fest, dass der Filter die Emissionen nicht wie erwartet reduziert. Das Problem könnte sein, dass auf jeder Leitung und im Erdungspfad (Rückweg) CM-Rauschen vorhanden ist. Beachten Sie, dass der CM-Rauschstrom auf allen Leitungen, einschließlich des Erdungspfads, gleichmäßig fließt. Wenn in diesem Szenario ein Kondensator zur Unterdrückung von CM-Rauschen verwendet wird, kann dies die Situation nur verschlimmern, da er das Rauschen von der verschmutzten digitalen Masse auf die sauberen Signalleitungen überträgt. Um bessere Ergebnisse zu erzielen, versuchen Sie, den Kondensator zu entfernen oder die verrauschte digitale Masse mit einer sauberen (Gehäuse-)Masse zu verbinden. In diesem Fall ist eine Gleichtaktdrossel möglicherweise eine bessere Lösung als eine Kondensator-Masse-Lösung.

Vergessen Sie nicht die Möglichkeit einer schlechten Hochfrequenzreaktion des Filters aufgrund von Parasiten. Wir übersehen oft die Tatsache, dass sich der nahezu ideale Tief- und Mittelfrequenzgang eines Tiefpassfilters nicht in der Frequenz nach oben fortsetzt. Aufgrund der parasitären Kapazität kann die tatsächliche Dämpfung eines Filters bei höheren Harmonischen der Schaltfrequenzen (in der Größenordnung von mehreren Megahertz) erheblich abfallen. Suchen Sie nach Möglichkeiten, diese Parasiten zu reduzieren. Wählen Sie Komponenten mit niedrigem äquivalentem Serienwiderstand (ESR) und halten Sie die Leitungen kurz, dick und flach.

Im wirklichen Leben weisen Filterkomponenten Toleranz-, Sättigungs-, Parasiten- und Kopplungsprobleme auf. Mit sorgfältiger Voraussicht, Planung und entsprechendem Wissen können diese Probleme berücksichtigt und entschärft werden, sodass Sie sich nicht mehr wundern müssen, warum Ihr Filter nicht wie erwartet funktioniert. Ich wünsche Ihnen viel Glück bei Ihren zukünftigen Filterbemühungen!

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Don MacArthur ist Gastautor des In Compliance Magazine. Er verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in den Bereichen Produktentwicklung, EMV, Tests und Einhaltung der Produktsicherheit. Er hat Produkte für militärische, kommerzielle und industrielle Anwendungen entwickelt.

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