Invoegverlies en prestaties in EMI-filtering

De blog van KnowlesCapacitors legt invoegverlies en prestaties bij EMI-filtering uit in een artikel van Peter Mathews.

Om te voldoen aan internationale wetgeving, zoals de EU-richtlijn inzake EMC of de FCC, is EMI-filtering een essentieel onderdeel van het ontwerp van apparatuur. Hier zullen we EMI-filtering blijven onderzoeken door middel van invoegverlies en filterprestaties.

De prestaties bij invoegverlies tonen signaalverzwakking bij een bepaalde frequentie. Als maatstaf is de prestatie van invoegverlies het nuttigst als richtlijn in het filterselectieproces; de werkelijke prestatie tijdens gebruik kan variëren, afhankelijk van de circuitkarakteristieken.

Invoegverlies wordt bepaald door de volgende factoren:

• Elektrische configuratie
• Bron/belastingsimpedanties
• Laadstroom
• Keramische diëlektrische materialen
• Aardingsimpedantie
• Integriteit afscherming

Elektrische configuratie

De keuze van de elektrische configuratie voor een filter (de combinatie van condensator en spoel) hangt voornamelijk af van de bron en de belastingsimpedanties. Cijfers voor insertieverlies worden normaal gesproken gepubliceerd voor een 50Ω-bron en een 50Ω-belastingscircuit. De impedantie zal in werkelijkheid waarschijnlijk anders zijn dan de cijfers doen vermoeden en kan een toename of afname van het insertieverlies veroorzaken. De elektrische configuratie van het filter moet worden gekozen om de filterprestaties te optimaliseren voor een specifiek bron-/belastingimpedantiescenario.

Veelvoorkomende typen elektrische configuraties die beschikbaar zijn in doorvoerfilters zijn:

Meerdere elementenfilter

Bevat meer dan 3 elementen, bijvoorbeeld L-C-L-C-L-filters (toevoeging van verdere elementen verhoogt de steilheid van de insertion loss-curve)

Laad stroom

Het effect van belastingsstroom op invoegverlies wordt grotendeels bepaald door de eigenschappen van de gebruikte filterelementen. Voor filtercircuits met inductieve elementen kan het invoegverlies aanzienlijk verminderen wanneer ferrietinductoren worden gebruikt; ferrietmateriaal verzadigt met stroom. Vermindering van insertieverlies hangt af van de stroom en de eigenschappen van het specifieke ferrietmateriaal. In extreme gevallen zal het ferriet ineffectief worden en zal het invoegverlies hetzelfde lijken als bij een C-filter.

Een filter kiezen

Bij het selecteren van een filter zijn elektrische configuratie, fysieke implementatie en materiaal (d.w.z. diëlektrisch type) allemaal belangrijke overwegingen. De dempingscurve, weergegeven in figuur 1, geeft de verschillende fysieke implementaties van de hierboven beschreven elektrische configuraties weer. U zult merken dat een eenvoudig chipfilter de minste demping biedt bij hoge frequenties. Als u naar een van deze kenmerken afzonderlijk kijkt, kan dit misleidend zijn in uw selectieproces.

Nogmaals, kijkend naar het onderdeel zelf, hebben verschillende categorieën keramische materialen verschillende prestatiekenmerken. Als bijvoorbeeld de diëlektrische constante toeneemt (en dus de waarde van de filtercapaciteit toeneemt), verslechtert de stabiliteit. Specifieke operationele en omgevingsparameters, waaronder temperatuur, spanning, frequentie en tijd (veroudering) kunnen de diëlektrische constante beïnvloeden.

Zoals samengevat in figuur 2, worden de drie belangrijkste classificaties van keramisch diëlektricum gebruikt bij de vervaardiging van EMI-filters over het algemeen aangeduid als ultrastabiel (C0G/NP0), stabiel (X7R) en algemeen gebruik (Z5U, Y5V of X7W).

C0G/NP0 – Ultrastabiel De meeste materiaalparameters blijven onaangetast door temperatuur, spanning, frequentie of tijd Stabiliteiten worden gemeten in delen per miljoen, maar diëlektrische constanten zijn relatief laag (10 tot 100)X7R – Stabiel Materiaalparameters zijn relatief stabiel met betrekking tot temperatuur, spanning, frequentie en tijd.Typische diëlektrische constanten zouden in de orde van 2.000 tot 4.000 zijn, waardoor veel hogere capaciteitswaarden voor een gegeven condensator mogelijk zijn dan kan worden verkregen uit C0G/NP0-materialen. Als de spanningscoëfficiënt ( VC) is van cruciaal belang, Knowles Precision Devices kunnen ook onderdelen ondersteunen met BX (2X1) en BZ (2C1) VC-kenmerkenZ5U/Y5V/X7W – Algemeen gebruik Materiaalparameters zijn ernstig beperkt en de prestaties onder aangelegde spanning kunnen ernstig in gevaar komen Opmerking:Knowles Precision Devices gebruikt alleen de hogere prestaties C0G/NP0 en X7R in zijn standaardbereiken

Verspreiding van capaciteitswaarden

De capaciteit van een keramische condensator verandert ook als gevolg van variërende temperatuur, aangelegde spanning en leeftijd. De uiteindelijke capaciteit kan binnen een reeks waarden vallen, afhankelijk van het materiaaltype en de kenmerken waarnaar wordt verwezen in afbeelding 2. Dat gezegd hebbende, als de capaciteit is afgenomen, neemt ook de prestatie van het invoegverlies toe.

Uitgelichte afbeeldingsbron:KnowlesCapacitors-feedthrough