Datensignale Filterung

Transkript

1 Datensignale Filterung Referent: Markus Schubert Würth Elektronik eisos GmbH & Co. KG

2 Agenda Filter und Aufwand Störungsarten Signale & Filter Filterdrosseln Enfügedämpfung Bauteilauswahl Schaltungsbeispiele Tips 1

3 Filter Aufwand Was ist Filterung? dient der Reduktion der Kopplung von Störungen von A nach B Reduzierung der Störemission Erhöhung der Störfestigkeit keine Beeinflussung des Nutzsignals Aufwand? Filterung kann aufwendig sein, wenn Nutz- und Störsignal in ihrer Frequenz nah beieinander liegen. Sind Nutz- und Störsignal in ihrer Frequenz weit auseinander, so ist die Filterung meist unkompliziert. 2

4 Filter Energieerhaltung Energie kann nicht verloren gehen, sie kann nur in eine andere Form umgewandelt werden. Energieerhaltungssatz z.b. Umwandlung elektrische Energie thermische Energie Der Verlustanteil eines Ferrits wandelt den elektrischen Störstrom in Wärme um. HAUPTZIEL: Verhinderung der Entstehung von Störenergie 3

5 Are you familiar? 4

6 Strukturierte Entstörung Erkennen der Störungsart: Gleichtaktstörung Gegentaktstörung 5

7 Störungsart Erkennungsmöglichkeit Gegentakt- oder Gleichtaktstörung? Symmetrisch oder Asymmetrisch? Klappferrit auf Kabel klicken (beide Drähte, z.b. VCC und GND) Störpegel reduziert? Erhöhte Störfestigkeit? Gleichtaktstörung (common mode noise) 6

8 Störungsart Signaltheorie Störungsarten am Beispiel USB: Sender/ Quelle Gleichtakt Empfänger/ Senke Gegentakt D+ D- Übertragungsstrecke Gleichtaktstörung Gegentaktstörung 7

9 Stromkompensierte Drossel Vorteil Filterung mit Stroko: geringe Signalverzerrung, d.h. Nutzsignal wird kaum beeinträchtigt erzeugt eine Art Saugeffekt, d.h. das Störsignal erreicht nicht die Schaltung 8

10 Stromkompensierte Drossel Signaltheorie Reduzierung der Störungen sowohl vom Gerät nach außen als auch von der Umwelt in das Gerät Fazit: keine Beeinflussung des Nutzsignals hohe Dämpfung des Störsignals Gegentakt Gleichtakt 9

11 Stromkompensierte Drossel Signaltheorie Entstörung am Beispiel USB: VCC D+ D- Sender GND Empfänger Übertragungsstrecke WE-CNSW Typ

12 Stromkompensierte Drossel Signaltheorie Entstörung am Beispiel USB: Erweiterung mit CMC auf Empfängerseite VCC D+ D- Sender GND Empfänger Übertragungsstrecke 11

13 Impedanz in Ω Stromkompensierte Drossel Signaltheorie Wird nur das Gegentaktsignal gedämpft? Z CM Z DM 1 f in MHz

14 Stromkompensierte Drossel Wicklungsart bifilar sektionell L 0.01%...0.1% von L S N L 0.5%...1% von L S N 13

15 Common Mode Choke Streuinduktivität CM choke DM choke 14

16 Impedanz in Ω Stromkompensierte Drossel Wicklungsart WE-SL bifilare Wicklung WE-SL S sektionelle Wicklung f in MHz

17 Noise Common Mode and Differential Mode common mode impedance 100 used signal (differential mode) 10 differential mode impedance noise (common mode) noise (Differential 1 mode) Please take care that there is no differential mode impedence at the fundamental frequency 16

18 Stromkompensierte Drossel Einsatzort bifilar geringere Gegentakt-Impedanz hohe kapazitive Kopplung geringe Streuinduktivität sektionell geringe kapazitive Kopplung hohe Streuinduktivität Datenleitungsdrosseln USB, Firewire, CAN, etc. DC-Spannungsversorgung Messsignal-Leitung Sensorleitung Netzein- und Ausgangsfilter CMC mit Trennsteg Leistungselektronik Messsignal-Leitung getaktete Netzteile WE-CNSW WE-SLM WE-LF WE-CMB 17

19 Data bus systems (differential wire pairs) 18

20 Leistung in dbm Spektrum Frequenz in MHz Stromkompensierte Drossel Messung (USB) USB1.0 Modul D+ D- CMC CMC D+ D- USB1.0 IC Datenfluss HF-Generator gefiltert ungefiltert / gestört ungefiltert / ungestört 19

21 Stromkompensierte Drossel Beispiel USB Fehlerrate: 3.4 Erhöhung von Z Fehlerrate: 2.55 Z CM = 32Ω // Z DM = 0.7Ω CMC D+ Z CM = 41Ω // Z DM = 0.7Ω D- Fehlerrate: 1 Erhöhung von Z Fehlerrate: 2.05 Z CM = 363Ω // Z DM = 1Ω Z CM = 77Ω // Z DM = 1Ω 20

22 Beispiele Praxis-Beispiel 21

23 Typical applications USB X.X Firewire/IEEE 1394 LVDS CAN-bus ISDN LAN xdsl Analog Modem T1/E1 PABX Data Signal Lines Power lines (Vdc<80V!!!) 22

24 Ethernet Schnittstelle 10/100BaseT 1000BaseT 23

25 Ethernet mit WE-RJ45 HPLE Standard: CMC auf Steckerseite Bob-Smith-Termination HPLE: CMC auf Steckerseite CMC auf PHY Seite (trifilar) Bob-Smith-Termination 24

26 USB 2.0 Schnittstelle 25

27 USB 2.0 Schnittstelle mit TVS-Diode 26

28 USB 2.0 Flow-Through-Design TLP-Verhalten: 27

29 Data/Signal lines Common mode chokes Rated at 80Vdc or 42Vac (except WE-CNSW 50Vdc) 28

30 Störungsart Differential Mode Definition Material 29

31 Störungsart Erkennungsmöglichkeit Gegentakt- oder Gleichtaktstörung? Symmetrisch oder Asymmetrisch? Klappferrit auf Kabel klicken (beide Drähte, z.b. VCC und GND) Störpegel reduziert? Erhöhte Störfestigkeit? wenn nicht Gegentaktstörung (differential mode noise) 30

32 Längsinduktivität Nachteil Filterung mit zwei Längsinduktivitäten: Filteraufbau mit 2 Ferriten (differential mode) beeinflußt das Nutzsignal! 31

33 Permeabilität Frequenzabhängigkeit Z R (NiZn) X L (NiZn) Ersatzschaltbild: Kernmaterial-Parameter Z R X L Z R 2 2 X L Indirekte Permeabilitätsmessung X C 0 im Frequenzbereich unterhalb der Eigenresonanz 32

34 Impedanz in Ω Impedanz in Ω Ersatzschaltbild Ferrit X L R X C Frequenz in MHz Frequenz in MHz 33

35 Impedanz einer Spule mit Kern = x Impedanz der Wicklung mit Kernmaterial Impedanz der Wicklung ohne Kernmaterial Kernmaterial Z = j ωl0 μ jμ x R ωl 0 X L 34

36 relative Reaktanz Kernmaterial Induktivität (Speicher) 100% 90% 80% 70% 60% X L (Fe) X L (MnZn) X L (NiZn) 50% 40% 30% 20% 0-400kHz 0-10MHz 0-40MHz 10% 0% 0,01 0, f in MHz 35

37 relative Resistanz Kernmaterial auch für Stromkompensierte Drosseln 100% 90% R (Fe) R (MnZn) R (NiZn) 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 200kHz- 4MHz 3-60MHz MHz 0% 0,01 0, f in MHz 36

38 Anwendung Induktivität / Ferrit 1. Anwendung: Speicherinduktivität Anforderung: möglichst geringe Kernverluste bei der Arbeitsfrequenz hohe Güte 2. Anwendung: Signalfilter in HF-Technik Anforderung: sehr niedrige Eigenverluste sehr hohe Güte 3. Anwendung: Absorber / Filter Anforderung: möglichst hohe Verluste bei der Arbeitsfrequenz geringe Güte 37

39 Güte Induktivität / Ferrit Vergleich der Güte (quality factor): Induktivität Q Q X R L Ferrit f in MHz 38

40 SMD-Ferrit in Datenleitung Beispiel USB Verwendung von 2 SMD-Ferriten: D+ D- Erhöhung von Z Fehlerrate: 4.4 Fehlerrate: 7.5 Z DM = 12MHz Z DM = 12MHz 39

41 Prinzip der Filterung Lösung: definiertes Filter aus mindestens 2 Bauteilen mindestens ein Bauteil ist frequenzselektiv Z 1 Filtereingang Ue Z 2 Ua Filterausgang Anpassung im Nutzfrequenzbereich Fehlanpassung im Störfrequenzbereich Filter sind frequenzabhängige Spannungsteiler. 40

42 Der Tiefpass ist die in der EMV am häufigsten eingesetzte Filtervariante. TP 1. Ordnung R U e 1 ωc U a f Z C TP 2.Ordnung ωl U e 1 ωc U a f f Z L Z C 41

43 Eigenresonanzfrequenz (SRF) ist die Frequenz, bei der die Beträge der induktiven und kapazitiven Blindwiderstände gleich groß sind. Ue R jωl I e 1 jωc Ua f f X L XC Z R jωl 1 ωc 1 ωl ω C 0 U R U e UL U C Ua I e I L I C SRF f res 1 2π LC entspricht der Grenzfrequenz des LC-Tiefpasses 42

44 Einfügedämpfung Definition Berechnung Praxis-Beispiel 43

45 Einfügedämpfung Definition Z A Z F ~ U 0 U 2 U 1 Z B Quelle Übertragungsmedium Senke logarithmisches Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsleistung: A db 10log 10 P P e a 20log beschreibt die Abschwächung eines Signals über einen definierten Signalweg z.b. SMD-Ferrit, Mikrostreifenleitung, Filter, U U 1 2

46 Einfügedämpfung Definition Beschreibung mit Impedanzen: Z A Z F ~ U 0 U 2 U 1 Z B Gesamtsystemdämpfung: Impedanz Z F : Quelle Übertragungsmedium Senke Z F A 20 db log Z A db A B A ZB A ZF Z Z Z Z Z Z A B B

47 Einfügedämpfung Realität? Quelle praktikable Quellen- und Senkenimpedanzen: Masseebene Spannungsversorgung Video-, Clock-, Datenleitungen lange Datenleitungen Übertragungsmedium <1W <10W 50 90W 90 >150W Senke 46

48 Amplitude in dbµv/m Einfügedämpfung Beispiel Messung der gestrahlten Emission: M 40M 50M 70M 100M 200M 300M 400M 600M 1G Frequenz in Hz 47

49 Dämpfung [db] Einfügedämpfung Beispiel Ansatzpunkt: Spannungsversorgung (Systemimpedanz: 10Ω 20dB bei 200MHz benötigt Ohm 10 Ohm 50 Ohm s Ferrites [? ] Impedanz des Ferrites [Ω] 180Ω Katalog oder Component Selector: WE-CBF

50 Einfügedämpfung Beispiel WE-CBF

51 Amplitude in dbµv/m Einfügedämpfung Beispiel Messergebnisse nach weiteren Anpassungen: M 40M 50M 70M 100M 200M 300M 400M 600M 1G Frequenz in Hz 50

52 Dämpfung [db] Einfügedämpfung Beispiel Möglichkeit 1: Dämpfung war höher als erwartet Ohm 10 Ohm 50 Ohm 40 30dB s Ferrites [? ] Impedanz des Ferrites [Ω] falsche Annahme der Systemimpedanz Möglichkeit der Verringerung der Impedanz des Ferrites 51

53 Dämpfung [db] Einfügedämpfung Beispiel Möglichkeit 2: Dämpfung war unzureichend Ohm 10 Ohm 50 Ohm s Ferrites [? ] 10 8dB Impedanz des Ferrites [Ω] falsche Annahme der Systemimpedanz Impedanz des Ferrites muss erhöht werden (Z F ~ 900Ω) 52

54 Dämpfung in db Einfügedämpfung Systemimpedanz Hohe Systemimpedanzen resultieren in niedrigen Dämpfungswerten Ω A 20log 10 1 db Z A ZF Z! B Ω 200Ω Filterung ist nur bis zu einer gewissen Systemimpedanz möglich. 1kΩ 0 0, f in MHz 53

55 Filtertopologien Übersicht Demoboard LTspice, Filter-Simulation Impedanzverlauf Induktivität & Kapazität Einfügedämpfung verschiedener Filter Praxis-Beispiel 54

56 Empfohlene Filtertopologien Quellimpedanz L Lastimpedanz niedrig C hoch hoch C hoch L unbekannt/ eher hoch niedrig C L L L C unbekannt/ eher hoch niedrig bei Auswahl SMD-Ferrit oder Induktivität: keine Resonanz mit ext. C breitbandiger Filter unbekannt/ eher niedrig C unbekannt/ eher niedrig Eigenresonanz der Bauteile beachten! 55

57 Filtertopologien Demoboard Parallel-C-Filter 1n 10n 100n 50Ω Referenz L-Filter LC-Filter 100n Π-Filter 1n 100n T-Filter 100n 56

58 LTspice Filtersimulation 57

59 L-Filter mit SMD-Ferrit WE-CBF Nutzung des Verlustanteils R( f ) Umwandlung des Gegentakt-Störstromes in Wärme 58

60 Filtertopologien Induktivität / SMD-Ferrit parasitäre Kapazitäten C p : Induktivität: 10pF 500pF SMD-Ferrit: 5fF 5pF L p R p Verlustwiderstände R p : Induktivität: < 30kΩ SMD-Ferrit: 10Ω 3kΩ C p Z log Induktivität SMD-Ferrit R p f res Z 2π 1 fres Rp L p C p ωl p f res 1 ωc p f log 59

61 Dämpfung in db Filtertopologien L-Filter L-Filter Als Induktivität wird ein SMD-Ferrit genutzt. WE-CBF : Z max = 80MHz A = 80MHz Simulation -35 Messung -40 f in MHz Frequenz [MHz] 60

62 Amplitude in db L-Filter Praxisbeispiel L-Filter (Dämpfung) L-Filter (Simulation) Referenzmessung Messung mit Filter 1 10 Frequenz in MHz

63 Filtertopologien Kapazität Erweiterung der Filter mit einem weiterem frequenzabhängigen Bauteil: Kondensator / Kapazität Serieninduktivität L s : SMD-Typ: Verlustwiderstand R s : SMD-Typ: Z 1nH 5nH 20mΩ 300mΩ (1Ω) log 1 ωc s ωl s Rs f res Z Ls 2π 1 fres Rs L s C s C s R s f res 62 f log

64 Impedanz in Ω Zc / Ohm Filtertopologien Kapazität 100nF SMD Keramik mit 2x12mm ohne Zuleitungen Zuleitungen 10 10nF ohne Zuleitungen Polyester SMD Keramik 1nF SMD Keramik ohne Zuleitungen 100pF SMD Keramik ohne Zuleitungen 1 0,1 0,01 0, Frequenz / in MHz MHz 63

65 Dämpfung in db Filtertopologien Parallel-C-Filter Parallel-C-Filter 1n 10n 100n Resonanzstellen: f in MHz Frequenz [MHz] 64

66 Dämpfung in db Filtertopologien Parallel-C-Filter Vergleich Messung - Simulation C 1 = 1nF C 2 = 10nF C 3 = 100nF 0-20 f res 2π 1 L s C -40 Beispiel: L s = 1nH f res,c3 = MHz Simulation Messung f in MHz Frequenz [MHz] 65

67 Dämpfung in db Filtertopologien LC-Filter LC-Filter 100n Vergleich Messung - Simulation WE-CBF C = 100nF Simulation Messung f in MHz Frequenz [MHz] 66

68 Dämpfung in db Filtertopologien Π-Filter Π-Filter 1n 100n Vergleich Messung - Simulation 0 WE-CBF C 1 = 1nF C 2 = 100nF Simulation Messung f in MHz Frequenz [MHz] 67

69 Dämpfung in db Filtertopologien T-Filter T-Filter 100n Vergleich Messung - Simulation 0 WE-CBF WE-CBF C = 100nF Simulation Messung f in MHz Frequenz [MHz] 68

70 Tipps & Hinweise Trilogie Übersicht Bauteile und Materialien WE Homepage WE Toolbox Component Selector LTspice IV weitere Simulationstools 69

71 Trilogie der induktiven Bauelemente Ergänzung zum Vortrag 1. Grundlagen elektronisches Basiswissen 2. Bauelemente Bauelemente und ihre speziellen Eigenschaften 3. Filterschaltungen Prinzip/Funktionsweise/Aufbau von Filterung 4. Anwendungen konkrete Beispiele auf über 300 Seiten 70