In de vorige edutorials hebben we de oorzaak van EMC-problemen, AM detectie besproken evenals een mogelijke oplossing te weten EMC-filters. Er zijn echter diverse typen EMC-filters mogelijk. In deze edutorial bespreken we de verschillende typen EMC-filters en hun voor- en nadelen in verschillende toepassingen.

In de basis zijn er twee typen filters. Een Pi- of een T-filter. Deze filters hebben deze naam omdat ze respectievelijk op het karakter Pi of de letter T lijken. In de voorbeelden wordt uitgegaan van een combinatie van weerstanden en condensatoren maar dit kan net zo goed een combinatie van spoelen en condensatoren zijn, waarover later meer.

Pi-filtering

Voor de uitleg van een Pi-filter gaan we uit van onderstaande afbeelding. Een Pi-filter is laag impedant.

Laag impedante filtering met behulp van een Pi-filter

De stoorstroom I_s zal nu door de eerste condensator via het referentievlak en C_k wegvloeien. Op zich veranderd er dus niets aan de situatie zoals we die in de vorige edutorial met een enkele condensator hebben gezien. Anders dan de situatie met een enkele condensator zal een eventuele rest stoorstroom nu alsnog door de tweede condensator van het Pi-filter via het referentievlak en C_k wegvloeien. Dit is als het ware een tweede orde filter. Het filter zal dus iets beter functioneren dan met een enkele condensator maar aan het principe verandert niets. Er is echter één risico. Als de impedantie van de stoorbron laag-impedant is, ga bij het voorbeeld uit van een R_i nul Ohm dan wordt de eerste condensator opgeblazen. Dit kan bijvoorbeeld voorkomen bij een Surge-puls. Een Surge-puls heeft een typische R_i van een half Ohm. In zo een geval kan de eerste condensator van het Pi-filter dus worden beschadigd. Alle andere EMC-storingen hebben een veel hogere R_i dus hierbij lopen we dit gevaar niet. Pi-filtering kunnen we dus toepassen op alle kabels waarop geen Surge-pulsen voorkomen. Surge-pulsen komen alleen voor op voedingskabels of erg lange kabels zoals lange telefoon- of datalijnen. Pi-filtering kan dus in verreweg de meeste gevallen worden toegepast.

T-filtering

Een T-filter is de hoog-impedante tegenhanger van een Pi-filter. Opnieuw is in onderstaand voorbeeld het filter opgebouwd uit weerstanden en een condensator maar dit kan net zo goed een combinatie van spoelen en een condensator zijn.

Hoog impedante filtering met behulp van een T-filter

Voor een lijn waarop Surge-pulsen voor kunnen komen is dit een goede manier van filteren om de condensator niet beschadigd of defect kan raken. Zoals reeds gemeld komen dergelijke lijnen weinig voor. In alle andere gevallen is het een nadeel omdat het RC-filter aan de ingang hoog-impedant is. Dit is een nadeel omdat het nu onduidelijk is hoe de stromen zullen gaan lopen. De stoorstroom kan ook niet goed, door de hoog impedante uitgang, weg. Hierdoor zal ook het zogenaamde "handeffect" toenemen. Als een hand in de buurt van de schakeling wordt gebracht, wordt hierdoor al zoveel extra capaciteit geïntroduceerd dat de stromen deze weg zullen kiezen. Hierdoor wordt de schakeling als snel instabiel afhankelijk van de plaatsing van de componenten, de ligging van de kabels en hoe de schakeling aangeraakt wordt. Dit nadeel heeft een print met Pi-filters helemaal niet omdat de stromen dan een gedefinieerd pad zullen volgen. Dus T-filters worden voornamelijk toegepast in voedingscircuits omdat je daar de condensator niet wilt beschadigen.

Spoelen versus weerstanden
In de netwerken wordt gebruik gemaakt van weerstanden in alle gevallen waarbij er geen grote stromen hoeven te lopen. Een weerstand absorbeert de energie terwijl een spoel de energie reflecteert en uitstraalt. Dit uitstralen is op zich weer een nadeel (emissie). Als de gewenste stromen echter groot zijn kan het filter vanzelfsprekend niet met weerstanden worden uitgevoerd. Een ander voordeel van de toepassing van weerstanden is het kostenaspect. Een weerstand is veel goedkoper dan een spoel en dus, zeker bij grote oplagen, een kosteneffectieve oplossing. Bij een spoel dient tevens een weerstandje parallel gezet worden om te voorkomen dat de spoel met de filtercondensatoren in (parallel)resonantie komt en hierdoor op gaat slingeren. Als er ferrietspoelen worden toegepast is de parallelweerstand niet nodig aangezien dergelijke spoelen zelf al een hoge verliesweerstand hebben. Ferrietspoelen zijn echter ook weer veel duurder dan weerstanden.
Er is nog wel een ander voordeel van de toepassing van spoelen. De steilheid van een filter met weerstanden is 6dB per octaaf terwijl met een filter met spoelen een steilheid van 12 dB per octaaf wordt bereikt. In de meeste gevallen is een dergelijke steilheid echter niet nodig. De maximale demping die bereikt kan worden is in beide gevallen toch maar ongeveer 40 dB omdat de storingen bij hogere dempingswaarden over het filter heen beginnen te koppelen. Steile filters (met spoelen) zijn dus alleen van toepassing als het stoorsignaal dicht bij het gewenste signaal ligt. In de praktijk komt dit maar zelden voor.

Dus bij voorkeur wordt gebruik gemaakt van weerstand tenzij dit vanwege de hoge stromen niet kan en dan bij voorkeur ferrietspoelen.

Directe instraling
Als de schakeling goed is opgebouwd en de juiste filtering is toegepast is directe instraling op de print nog het laatste probleem dat op kan treden. In het voorbeeld hieronder vormt het gearceerde gedeelte een lusoppervlak.

EMC-problemen door directe instraling op de print

Dit lusoppervlak vormt een antenne die storing van buiten op kan vangen. De storing die hierdoor veroorzaakt wordt, kan weer worden omgeleid door condensatoren direct van de ingang van de tweede versterker naar aarde (en eventueel aan de uitgang van de voorgaande versterker) te plaatsen. Het beste is echter om het lusoppervlak zo klein mogelijk te houden. Dit wordt bereikt door de versterkers dicht bij elkaar te plaatsen en gebruik te maken van een goed referentievlak zodat er een direct retourpad onder het heengaande pad ligt.

Wet van Lenz
Bij een referentievlak zullen volgens de wet van Lenz de stromen niet de kortste weg door het referentievlak kiezen maar juist direct onder de sporen erboven gaan lopen. Hoe vreemd dit ook mag klinken, de verklaring is relatief simpel. De grootte van het lusoppervlak bepaalde de mate van uitstraling. Voor deze uitstraling is energie nodig en de natuur streeft altijd naar het laagste energieniveau en zal dus het kleinst mogelijke lusoppervlak kiezen.

Gescheiden referentievlakken
Het volgende onderwerp is behoorlijk controversieel. In deze uitleg wordt onze benaderingswijze aangegeven en uitgelegd waarom wij dit de beste aanpak vinden.
De meeste leveranciers van AD-converters adviseren gebruik te maken van gescheiden groundplanes. De reden hiervoor is dat men bang is dat de digitale stromen storingen in het analoge gedeelte zullen veroorzaken. We hebben echter net gezien dat conform de wet van Lenz de stromen onder de printsporen zullen lopen. Dus indien er in het onderstaande voorbeeld signalen van de ene digitale processor naar de andere lopen zullen de retourstromen onder de printsporen teruglopen en geen "uitstapje" maken naar het analoge gedeelte. Dus indien we onze routing goed uitvoeren, zoals in het voorbeeld zullen de stoorstromen het analoge gedeelte niet verstoren.

Gescheiden referentievlakken - voor- of nadeel?

Toch gescheiden referentievlakken
Toch gaan we even uit van de situatie waarbij de referentievlakken wel gescheiden worden en kijken wat er dan gebeurt. In theorie zou men kunnen zeggen dat nu de vlakken gescheiden zijn dit inderdaad beter zou moeten gaan. De stromen kunnen nu immers zeker niet meer in het analoge vlak terechtkomen. Dit gaat ook goed zolang er maar geen stuursignalen uit het digitale gedeelte naar het analoge gedeelte lopen. Dit kan bijvoorbeeld nodig zijn om de versterker aan- of uit te schakelen of om de gain te regelen. Is dit wel het geval, bijvoorbeeld als de middelste processor de bovensten analoge versterker schakelt, dan passeert dit spoor de spleet in het referentievlak. Er moet echter een retourstroom gaan lopen en die kan niet onder dit spoor teruglopen want er bevindt zich immers een onderbreking in het referentievlak. De retourstroom zal dus via de connectie bij de bovenste processor retour gaan lopen. Hiermee wordt een groot lusoppervlak gecreëerd dat tot een hogere emissie zal leiden. Bovendien zal dit groter lusoppervlak ook tot problemen met de immuniteit leiden. Verder wordt de retourstroom nu gedwongen onder de AD-converter retour te lopen wat het gevoeligste punt van de schakeling is. Dit is dus geen gewenste situatie. Op zich is dit nog op te lossen door het digitale signaal direct onder de AD-converter door te laten lopen. Ook dit is echter om een andere reden geen gewenste situatie.
Om dit duidelijk te maken gaan we even terug naar de situatie waarbij het spoor de scheiding van het referentievlak passeert. De retourstroom zal nu langs de rand van het referentievlak retour lopen. Hierdoor zal het lijken of de randen van het vlak staan te stralen. Dit is met een sniffer probe ook duidelijk te zien. Er wordt eigenlijk een potentiaal verschil tussen het analoge vlak en het digitale vlak gecreëerd. Hierbij zijn er twee metalen delen waar een hoogfrequent stoorspanning tussen staat. Een dergelijke opstelling noemen we een dipool antenne en die straalt dus prima uit!

Belang van goede routing
Waarom adviseren de leveranciers dan toch gescheiden referentievlakken? Naar alle waarschijnlijkheid omdat men in de proefopstelling de routing niet geheel ideaal heeft uitgevoerd. Op de werkbank zullen daarom met gescheiden referentievlakken aantoonbaar betere resultaten worden bereikt. Op de werkbank zijn echter waarschijnlijk geen lange kabels aangesloten hetgeen in de praktijk meestal wel het geval is. Door lange "veldbekalbeling" ontstaat per definitie een relatief grote "antennelus". Tevens hangen de sensoren vaak aan aarde waardoor ze een verschillend aardpotentiaal ondervinden. Of de storing nu veroorzaakt wordt door een het veld dat geïnduceerd wordt in het lusoppervlak of door het verschil in aardpotentiaal in beide gevallen zal de retourstroom via het pad onder de bovenste AD-converter terug via het pad onder de middelste AD-converter lopen. Dit is EMC-technisch de minst gewenste route! Wordt daarentegen gekozen voor een groundplane dan zal de retourstroom via de bovenste ingangscapaciteit en de middelste ingangscapaciteit weer terug de kabel invloeien zonder de analoge versterker te beïnvloeden. Lange kabels creëren bij gescheiden referentievlakken dus een enorm probleem onafhankelijk van een goede plaatsing. Vanuit dit oogpunt is het voor praktische toepassing beter alle ingangen aan een kant te houden, de filters aan de voorkant te plaatsen en voor een continue referentievlak te kiezen. Op deze manier blijven de storingen buiten de schakeling.

Galvanische scheiding
Er is één goed argument om de referentievlakken te scheiden en dat is wanneer galvanische scheiding gewenst is. Dan is de opstelling uit het voorbeeld echter ook niet goed genoeg en zal echt alles met opto-couplers en DC-DC converters gescheiden moeten worden. Er wordt dan echt een "floating geheel", een wereld op zich gecreëerd. Dit wil zeggen dat alle signalen van de processor naar de versterker en alle signalen aan de ingang dus gescheiden moeten worden.

en in de praktijk!
Dus als in de praktijk de plaatsing goed wordt uitgevoerd dusdanig dat het referentievlak gescheiden zou kunnen worden, dat wil zeggen als er geen sporen over de scheidingen lopen, dan is het scheiden van de referentievlakken niet meer nodig! De plaatsing is dan dusdanig dat de retourstromen op de juiste plaatsen (onder de sporen) doorlopen. Een aardige truck is dus de print met gescheiden referentievlakken te ontwerpen. Zodra men daarmee klaar is en de plaatsing dusdanig heeft uitgevoerd dat er geen sporen meer over de scheidingen lopen, kunnen de referentievlakken weer tot een geheel gesmeed worden. Als je de print dus figuurlijk tegen het licht kan houden en er geen sporen oversteken, kan men met een gerust hart met een referentievlak werken!