Filtrado de ruido de modo común con filtros EMI monolíticos

Por Mike Santora | 9 de agosto de 2019

A pesar de la popularidad de los estranguladores de modo común, una alternativa pueden ser los filtros EMI monolíticos. Cuando se colocan correctamente, estos componentes cerámicos multicapa proporcionan un excelente rechazo del ruido de modo común.

Muchos factores aumentan la cantidad de interferencia de "ruido" que puede dañar o perturbar la funcionalidad de los dispositivos electrónicos. Los automóviles de hoy son un excelente ejemplo. En un solo vehículo puedes encontrar Wi-Fi, Bluetooth, radio satelital, sistemas GPS, y eso es solo el comienzo. Para gestionar esta interferencia de ruido, la industria suele utilizar blindaje junto con filtros EMI para eliminar el ruido no deseado. Pero ahora algunas de las soluciones tradicionales para eliminar EMI/RFI ya no son suficientes.

Este problema está llevando a muchos OEM a evitar opciones como diferencial de 2 capacitores, 3 capacitores (un X-cap y 2 Y-caps), filtros de paso, estranguladores de modo común o combinaciones de estos para soluciones más adecuadas como filtros EMI monolíticos que tienen una mejor supresión de ruido en un paquete más pequeño.

Cuando los dispositivos electrónicos reciben fuertes ondas electromagnéticas, se pueden inducir corrientes eléctricas no deseadas en el circuito y causar operaciones no deseadas o interferir con las operaciones previstas.

EMI/RFI puede ser en forma de emisiones conducidas o radiadas. Cuando se conduce EMI, significa que el ruido viaja a lo largo de los conductores eléctricos. La EMI radiada ocurre cuando el ruido viaja a través del aire como campos magnéticos u ondas de radio.

Incluso si la energía aplicada desde el exterior es pequeña, si se mezcla con las ondas de radio utilizadas para la transmisión y la comunicación, puede causar pérdida de recepción, ruido anormal en el sonido o video interrumpido. Si la energía es demasiado poderosa, los dispositivos electrónicos pueden dañarse.

Las fuentes incluyen ruido natural como descargas electrostáticas, iluminación y otras fuentes y ruido artificial como ruido de contacto, dispositivos con fugas que usan frecuencias altas, emisiones no deseadas y otros. Por lo general, el ruido EMI/RFI es un ruido de modo común, por lo que la solución es eliminar las frecuencias altas no deseadas con un filtro EMI, ya sea como un dispositivo separado o integrado en las placas de circuitos.

Filtros EMI Los filtros EMI generalmente consisten en componentes pasivos, como capacitores e inductores, conectados para formar circuitos.

"Los inductores permiten el paso de corrientes de CC o de baja frecuencia mientras bloquean las corrientes de alta frecuencia no deseadas y dañinas. Los condensadores proporcionan una ruta de baja impedancia para desviar el ruido de alta frecuencia lejos de la entrada del filtro, ya sea de vuelta a la fuente de alimentación. suministro o a la conexión a tierra", dice Christophe Cambrelin de Johanson Dielectrics, una empresa que fabrica condensadores cerámicos multicapa y filtros EMI.

Los enfoques tradicionales de filtrado de modo común incluyen filtros de paso bajo que utilizan condensadores que pasan señales con una frecuencia más baja que una frecuencia de corte seleccionada y atenúa las señales con frecuencias más altas que la frecuencia de corte.

Un punto de partida común es aplicar un par de capacitores en una configuración diferencial, con un capacitor entre cada traza y tierra de la entrada diferencial. El filtro capacitivo en cada rama desvía EMI/RFI a tierra por encima de una frecuencia de corte especificada. Debido a que esta configuración implica el envío de una señal de fase opuesta a través de dos cables, la relación señal-ruido mejora mientras que el ruido no deseado se envía a tierra.

"Desafortunadamente, el valor de capacitancia de un MLCC con dieléctrico X7R (usado típicamente para esta función) varía significativamente con el tiempo, el voltaje de polarización y la temperatura", dice Cambrelin.

"Entonces, incluso si los dos capacitores están estrechamente emparejados a temperatura ambiente, con un voltaje bajo, en un momento dado, es muy probable que terminen con un valor muy diferente una vez que el tiempo, el voltaje o la temperatura han cambiado. Esta falta de coincidencia entre las dos líneas harán que la respuesta cerca del corte del filtro sea desigual. Por lo tanto, convertirá el ruido de modo común en ruido diferencial".

Otra solución es conectar un condensador 'X' de gran valor entre los dos condensadores 'Y'. Sin embargo, la derivación del condensador 'X' ofrece el efecto deseado de equilibrio de modo común, con el efecto secundario no deseado del filtrado de señal diferencial. Quizás la solución más común y una alternativa a los filtros de paso bajo es el estrangulador de modo común.

Un estrangulador de modo común es un transformador 1:1 donde ambos devanados actúan como primario y secundario. En este enfoque, la corriente a través de un devanado induce una corriente opuesta en el otro devanado. Desafortunadamente, los estranguladores de modo común también son pesados, costosos y están sujetos a fallas inducidas por vibraciones.

Aún así, un estrangulador de modo común adecuado con coincidencia y acoplamiento perfectos entre los devanados es transparente a las señales diferenciales y presenta una alta impedancia al ruido de modo común. Una desventaja de los choques de modo común es el rango de frecuencia limitado debido a la capacitancia parásita. Para un material de núcleo dado, cuanto mayor sea la inductancia utilizada para obtener un filtrado de frecuencia más bajo, mayor será el número de vueltas requeridas y la consiguiente capacitancia parásita que anula el filtrado de alta frecuencia.

La falta de coincidencia entre los devanados debido a la tolerancia de fabricación mecánica puede provocar una conversión de modo, en la que un porcentaje de la energía de la señal se convierte en ruido de modo común y viceversa. Este escenario provoca problemas de inmunidad y compatibilidad electromagnética. Los desajustes también reducen la inductancia efectiva en cada pierna.

Independientemente, los choques de modo común tienen una ventaja significativa sobre otras opciones cuando las señales diferenciales (para pasar) operan en el mismo rango de frecuencia que el ruido de modo común que debe suprimirse. Con un estrangulador de modo común, la banda de paso de señal puede extenderse a la banda de rechazo de modo común.

Filtros EMI monolíticos A pesar de la popularidad de los estranguladores de modo común, una alternativa pueden ser los filtros EMI monolíticos. Cuando se distribuyen correctamente, estos componentes cerámicos multicapa proporcionan un excelente rechazo del ruido de modo común. Combinan dos capacitores de derivación balanceados en un solo paquete, con cancelación de inductancia mutua y efecto de blindaje. Estos filtros usan dos vías eléctricas separadas dentro de un solo dispositivo conectado a cuatro conexiones externas.

Para evitar confusiones, debe tenerse en cuenta que un filtro EMI monolítico no es un condensador de alimentación tradicional. Aunque se ven idénticos (mismo paquete y apariencia externa), su diseño es muy diferente y no están conectados de la misma manera. Al igual que otros filtros EMI, los filtros EMI monolíticos atenúan toda la energía por encima de una frecuencia de corte específica y solo seleccionan pasar la energía de señal requerida mientras desvían el ruido no deseado a "tierra".

La clave, sin embargo, es la muy baja inductancia y la impedancia adaptada. Con los filtros EMI monolíticos, las terminaciones se conectan internamente a un electrodo de referencia común (blindaje) dentro del dispositivo y las placas están separadas por el electrodo de referencia. Electrostáticamente, los tres nodos eléctricos están formados por dos mitades capacitivas que comparten electrodos de referencia comunes, todos contenidos en un solo cuerpo cerámico.

El equilibrio entre las mitades de los condensadores también significa que los efectos piezoeléctricos son iguales y opuestos, anulándose. Esta relación también afecta la variación de temperatura y voltaje, por lo que los componentes envejecen por igual en ambas líneas. Si hay una desventaja de estos filtros EMI monolíticos, es que no se pueden usar si el ruido de modo común tiene la misma frecuencia que la señal diferencial. "Cuando este es el caso, el estrangulador de modo común es una mejor solución", dice Cambrelin.

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