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 inductores 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 interferencias de "ruido" que pueden dañar o alterar el funcionamiento de los dispositivos electrónicos. Los automóviles actuales 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 fabricantes de equipos originales a evitar opciones como diferencial de 2 condensadores, 3 condensadores (uno X y 2 Y), filtros de paso, bobinas 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 ondas electromagnéticas fuertes, se pueden inducir corrientes eléctricas no deseadas en el circuito y provocar operaciones no deseadas o interferir con las operaciones previstas.

EMI/RFI puede adoptar la 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 se produce cuando el ruido viaja por el aire en forma de 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 interrupción del video. Si la energía es demasiado potente, 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 utilizan altas frecuencias, emisiones no deseadas y otros. Por lo general, el ruido EMI/RFI es ruido de modo común, por lo que la solución es eliminar las altas frecuencias no deseadas con un filtro EMI, ya sea como un dispositivo separado o integrado en placas de circuito.

Filtros EMI Los filtros EMI normalmente constan de componentes pasivos, como condensadores e inductores, conectados para formar circuitos.

“Los inductores permiten el paso de corrientes continuas o de baja frecuencia mientras bloquean las dañinas corrientes no deseadas de alta frecuencia. Los condensadores proporcionan una ruta de baja impedancia para desviar el ruido de alta frecuencia de la entrada del filtro, ya sea de regreso a la fuente de alimentación 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 inferior a una frecuencia de corte seleccionada y atenúan señales con frecuencias superiores a 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 tramo desvía EMI/RFI a tierra por encima de una frecuencia de corte especificada. Debido a que esta configuración implica enviar una señal de fase opuesta a través de dos cables, la relación señal-ruido mejora mientras el ruido no deseado se envía a tierra.

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

“Así que incluso si los dos condensadores 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 hayan cambiado. Esta falta de coincidencia entre las dos líneas hará 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'. La derivación del capacitor 'X' ofrece el efecto deseado de equilibrio en modo común, sin embargo, con el efecto secundario no deseado de filtrado de señal diferencial. Quizás la solución más común y una alternativa a los filtros de paso bajo sea el estrangulador de modo común.

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

Aún así, una inductancia de modo común adecuada con perfecta adaptación y acoplamiento 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 determinado, cuanto mayor sea la inductancia utilizada para obtener un filtrado de baja frecuencia, mayor será el número de vueltas necesarias 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, donde 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 tramo.

Independientemente, los inductores 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 hasta la banda de rechazo de modo común.

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

Para evitar confusiones, cabe señalar que un filtro EMI monolítico no es un condensador de alimentación tradicional. Aunque parecen 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 especificada 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 (protección) común 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 único cuerpo cerámico.

El equilibrio entre las mitades del condensador 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 utilizar si el ruido de modo común está en la misma frecuencia que la señal diferencial. "Cuando este es el caso, el estrangulador de modo común es una mejor solución", afirma Cambrelin.

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