Datensignale Filterung Referent: Markus Schubert Würth Elektronik eisos GmbH & Co. KG 17.01.2013
Agenda Filter und Aufwand Störungsarten Signale & Filter Filterdrosseln Enfügedämpfung Bauteilauswahl Schaltungsbeispiele Tips 1
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
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
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Strukturierte Entstörung Erkennen der Störungsart: Gleichtaktstörung Gegentaktstörung 5
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
Störungsart Signaltheorie Störungsarten am Beispiel USB: Sender/ Quelle Gleichtakt Empfänger/ Senke Gegentakt D+ D- Übertragungsstrecke Gleichtaktstörung Gegentaktstörung 7
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
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
Stromkompensierte Drossel Signaltheorie Entstörung am Beispiel USB: VCC D+ D- Sender GND Empfänger Übertragungsstrecke WE-CNSW Typ 0805 5 10
Stromkompensierte Drossel Signaltheorie Entstörung am Beispiel USB: Erweiterung mit CMC auf Empfängerseite VCC D+ D- Sender GND Empfänger Übertragungsstrecke 11
Impedanz in Ω Stromkompensierte Drossel Signaltheorie Wird nur das Gegentaktsignal gedämpft? 10000 1000 Z CM 100 10 Z DM 1 f in MHz 1 10 100 1000 12
Stromkompensierte Drossel Wicklungsart bifilar sektionell L 0.01%...0.1% von L S N L 0.5%...1% von L S N 13
Common Mode Choke Streuinduktivität CM choke DM choke 14
Impedanz in Ω Stromkompensierte Drossel Wicklungsart WE-SL2 744227 bifilare Wicklung WE-SL2 744227S sektionelle Wicklung 10000 1000 100 10 1 f in MHz 1 10 100 1000 15
Noise Common Mode and Differential Mode 10000 1000 common mode impedance 100 used signal (differential mode) 10 differential mode impedance noise (common mode) noise (Differential 1 mode) 1 10 100 1000 Please take care that there is no differential mode impedence at the fundamental frequency 16
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
Data bus systems (differential wire pairs) 18
Leistung in dbm 0-10 -20-30 -40-50 -60-70 -80 Spektrum 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 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
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
Beispiele Praxis-Beispiel 21
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
Ethernet Schnittstelle 10/100BaseT 1000BaseT 23
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
USB 2.0 Schnittstelle 25
USB 2.0 Schnittstelle mit TVS-Diode 26
USB 2.0 Flow-Through-Design TLP-Verhalten: 27
Data/Signal lines Common mode chokes Rated at 80Vdc or 42Vac (except WE-CNSW 50Vdc) 28
Störungsart Differential Mode Definition Material 29
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
Längsinduktivität Nachteil Filterung mit zwei Längsinduktivitäten: Filteraufbau mit 2 Ferriten (differential mode) beeinflußt das Nutzsignal! 31
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
Impedanz in Ω Impedanz in Ω Ersatzschaltbild Ferrit X L R 10000 1000 X C 1000 100 100 10 10 1 1 10 100 1000 Frequenz in MHz 1 1 10 100 1000 Frequenz in MHz 33
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
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 0,1 1 10 100 1000 f in MHz 35
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 20-2000MHz 0% 0,01 0,1 1 10 100 1000 f in MHz 36
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
Güte Induktivität / Ferrit Vergleich der Güte (quality factor): 60 50 Induktivität Q 40 30 Q X R L 20 10 Ferrit 0 1 10 100 1000 f in MHz 38
SMD-Ferrit in Datenleitung Beispiel USB Verwendung von 2 SMD-Ferriten: D+ D- Erhöhung von Z Fehlerrate: 4.4 Fehlerrate: 7.5 Z DM = 35Ω @ 12MHz Z DM = 110Ω @ 12MHz 39
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
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
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
Einfügedämpfung Definition Berechnung Praxis-Beispiel 43
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, 44 10 U U 1 2
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 10 45 Z A db 20 10 A B A ZB A ZF Z Z Z Z Z Z A B B
Einfügedämpfung Realität? Quelle praktikable Quellen- und Senkenimpedanzen: Masseebene Spannungsversorgung Video-, Clock-, Datenleitungen lange Datenleitungen Übertragungsmedium <1W <10W 50 90W 90 >150W Senke 46
Amplitude in dbµv/m Einfügedämpfung Beispiel Messung der gestrahlten Emission: 60 50 40 30 20 10 0 30M 40M 50M 70M 100M 200M 300M 400M 600M 1G Frequenz in Hz 47
Dämpfung [db] Einfügedämpfung Beispiel Ansatzpunkt: Spannungsversorgung (Systemimpedanz: 10Ω 20dB bei 200MHz benötigt 60 50 1 Ohm 10 Ohm 50 Ohm 40 30 20 s Ferrites [? ] 10 100 1000 0 1 10 100 1000 Impedanz des Ferrites [Ω] 180Ω Katalog oder Component Selector: WE-CBF 742 792 61 48
Einfügedämpfung Beispiel WE-CBF 742 792 61 49
Amplitude in dbµv/m Einfügedämpfung Beispiel Messergebnisse nach weiteren Anpassungen: 60 50 40 30 20 10 0 30M 40M 50M 70M 100M 200M 300M 400M 600M 1G Frequenz in Hz 50
Dämpfung [db] Einfügedämpfung Beispiel Möglichkeit 1: Dämpfung war höher als erwartet 60 50 1 Ohm 10 Ohm 50 Ohm 40 30dB 30 20 s Ferrites [? ] 10 100 1000 0 1 10 100 1000 Impedanz des Ferrites [Ω] falsche Annahme der Systemimpedanz Möglichkeit der Verringerung der Impedanz des Ferrites 51
Dämpfung [db] Einfügedämpfung Beispiel Möglichkeit 2: Dämpfung war unzureichend 60 50 1 Ohm 10 Ohm 50 Ohm 40 30 20 s Ferrites [? ] 10 8dB 100 1000 0 1 10 100 1000 Impedanz des Ferrites [Ω] falsche Annahme der Systemimpedanz Impedanz des Ferrites muss erhöht werden (Z F ~ 900Ω) 52
Dämpfung in db Einfügedämpfung Systemimpedanz Hohe Systemimpedanzen resultieren in niedrigen Dämpfungswerten. 40 30 10Ω A 20log 10 1 db Z A ZF Z! B 20 10 50Ω 200Ω Filterung ist nur bis zu einer gewissen Systemimpedanz möglich. 1kΩ 0 0,1 1 10 100 1000 f in MHz 53
Filtertopologien Übersicht Demoboard LTspice, Filter-Simulation Impedanzverlauf Induktivität & Kapazität Einfügedämpfung verschiedener Filter Praxis-Beispiel 54
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
Filtertopologien Demoboard Parallel-C-Filter 1n 10n 100n 50Ω Referenz L-Filter LC-Filter 100n Π-Filter 1n 100n T-Filter 100n 56
LTspice Filtersimulation 57
L-Filter mit SMD-Ferrit WE-CBF Nutzung des Verlustanteils R( f ) Umwandlung des Gegentakt-Störstromes in Wärme 58
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
Dämpfung in db Filtertopologien L-Filter L-Filter Als Induktivität wird ein SMD-Ferrit genutzt. WE-CBF 742 792 093: Z max = 3000Ω @ 80MHz A = -29dB @ 80MHz 0-5 -10-15 -20-25 -30 Simulation -35 Messung -40 f in MHz 1 10 100 1000 Frequenz [MHz] 60
Amplitude in db L-Filter Praxisbeispiel 20 0-20 -40-60 -80-100 -120 L-Filter (Dämpfung) L-Filter (Simulation) Referenzmessung Messung mit Filter 1 10 Frequenz in MHz 100 1000 61
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
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 0,1 1 10 100 1000 Frequenz / in MHz MHz 63
Dämpfung in db Filtertopologien Parallel-C-Filter Parallel-C-Filter 1n 10n 100n Resonanzstellen: 0-9 -18-27 -36-45 -54-63 -72-81 -90 f in MHz 1 10 100 1000 Frequenz [MHz] 64
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 = 15.915MHz Simulation -60-80 Messung -100 1 10 f in MHz 100 1000 Frequenz [MHz] 65
Dämpfung in db Filtertopologien LC-Filter LC-Filter 100n Vergleich Messung - Simulation WE-CBF 742 792 093 C = 100nF 0-9 -18-27 -36-45 -54-63 Simulation Messung -72-81 -90 1 10 100 1000 f in MHz Frequenz [MHz] 66
Dämpfung in db Filtertopologien Π-Filter Π-Filter 1n 100n Vergleich Messung - Simulation 0 WE-CBF 742 792 093 C 1 = 1nF C 2 = 100nF -9-18 -27-36 -45-54 -63 Simulation Messung -72-81 -90 1 10 f in MHz 100 1000 Frequenz [MHz] 67
Dämpfung in db Filtertopologien T-Filter T-Filter 100n Vergleich Messung - Simulation 0 WE-CBF 742 792 040 WE-CBF 742 792 093 C = 100nF -9-18 -27-36 -45-54 -63 Simulation Messung -72-81 -90 1 10 f in MHz 100 1000 Frequenz [MHz] 68
Tipps & Hinweise Trilogie Übersicht Bauteile und Materialien WE Homepage WE Toolbox Component Selector LTspice IV weitere Simulationstools 69
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
Poster Entstör-/HF-Bauteile & Materialien Kabel & THT (DM/CM) SMT (DM/CM) 71
Homepage WE: www.we-online.de 72
Homepage WE: Toolbox 73
Component Selector Toolbox Software Component Selector 74
Simulation LTspice IV Toolbox Software LTspice Simulator (mit WE Bauteilbibliothek) http://www.linear.com Design Support Design Simulation Page 75
Simulation LTspice IV stromkompensierte Drosseln aus WE Sortiment 76
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 77