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Datensignale Filterung

Referent:

Markus Schubert

Würth Elektronik eiSos

GmbH & Co. KG

17.01.2013

1 16.08.2012 V1.1 | StS | Public | Grundlagen zu Kernmaterialien und Filterschaltungen


Agenda

• Filter und Aufwand

• Störungsarten

• Signale & Filter

• Filterdrosseln

• Enfügedämpfung Bauteilauswahl

• Schaltungsbeispiele

• Tips



Was ist Filterung?

• dient der Reduktion der Kopplung von Störungen von A nach B

• Reduzierung der Störemission

• Erhöhung der Störfestigkeit

• keine Beeinflussung des Nutzsignals

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.

Aufwand?

Filter – Aufwand



Energie kann nicht verloren gehen, sie kann nur in eine andere Form

umgewandelt werden.

Energieerhaltungssatz

HAUPTZIEL:

Verhinderung der Entstehung von Störenergie

• z.B. Umwandlung elektrische Energie thermische Energie

• Der Verlustanteil eines Ferrits wandelt den elektrischen Störstrom in

Wärme um.

Filter – Energieerhaltung



Are you familiar?



Strukturierte Entstörung

Erkennen der Störungsart:

• Gleichtaktstörung

• Gegentaktstörung



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)

Störungsart – Erkennungsmöglichkeit



Sender/

Quelle

Empfänger/

Senke Gegentakt Gleichtakt

Übertragungsstrecke

Störungsarten am Beispiel USB:

Gleichtaktstörung

Gegentaktstörung

D-

D+

Störungsart – Signaltheorie



• geringe Signalverzerrung, d.h. Nutzsignal wird kaum beeinträchtigt

• erzeugt eine Art „Saugeffekt“, d.h. das Störsignal erreicht nicht die Schaltung

Stromkompensierte Drossel – Vorteil

Filterung mit Stroko:



Reduzierung der Störungen

• sowohl vom Gerät nach

außen

• als auch von der Umwelt in

das Gerät

Gleichtakt

Stromkompensierte Drossel – Signaltheorie

Fazit:

• „keine“ Beeinflussung des Nutzsignals

• hohe Dämpfung des Störsignals

Gegentakt



Sender Empfänger

Übertragungs-

strecke

VCC

GND

D-

D+

Entstörung am Beispiel USB:

WE-CNSW Typ 0805


5



Entstörung am Beispiel USB:


Erweiterung mit CMC auf Empfängerseite

Sender Empfänger

Übertragungs-

strecke

VCC

GND

D-

D+



Wird nur das Gegentaktsignal gedämpft?

1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000


Impedanz in Ω

f in MHz

CMZ

DMZ



bifilar sektionell

Stromkompensierte Drossel – Wicklungsart

NS von%1.0%...01.0 LL NS von%1%...5.0 LL



Common Mode Choke

Streuinduktivität

CM choke DM choke



1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000

WE-SL2 744227

bifilare Wicklung

WE-SL2 744227S

sektionelle Wicklung

Stromkompensierte Drossel – Wicklungsart

f in MHz

Imp

ed

an

z in

Ω



Noise – Common Mode and Differential Mode

1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000

used signal

(differential mode)

differential mode impedance

common mode impedance

noise (common mode)

noise (Differential

mode)

Please take care that there is no differential mode impedence at the fundamental frequency



bifilar sektionell

• geringere Gegentakt-Impedanz

• hohe kapazitive Kopplung

• geringe Streuinduktivität

• 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

Stromkompensierte Drossel – Einsatzort



Data bus systems (differential wire pairs)



USB1.0

Modul

USB1.0

IC

Spektrum

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

Frequenz in MHz

Leis

tun

g in

dB

m

D+

D-

D+

D-

gefiltert ungefiltert / gestört ungefiltert / ungestört

HF-Generator

CMC CMC

Datenfluss

Stromkompensierte Drossel – Messung (USB)



Erhöhung von Z Fehlerrate: 3.4‰ Fehlerrate: 2.55‰

Fehlerrate: 1‰ Fehlerrate: 2.05‰

CMC

D+

D-

Erhöhung von Z

Stromkompensierte Drossel – Beispiel USB

ZCM = 32Ω // ZDM = 0.7Ω ZCM = 41Ω // ZDM = 0.7Ω

ZCM = 77Ω // ZDM = 1Ω ZCM = 363Ω // ZDM = 1Ω



Beispiele…

• Praxis-Beispiel



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!!!)



1000BaseT 10/100BaseT

Ethernet Schnittstelle



Ethernet mit WE-RJ45 HPLE

Standard:

• CMC auf Steckerseite

• Bob-Smith-Termination

HPLE:

• CMC auf Steckerseite

• CMC auf PHY Seite (trifilar)

• Bob-Smith-Termination



USB 2.0 Schnittstelle



USB 2.0 Schnittstelle mit TVS-Diode



USB 2.0 Flow-Through-Design

TLP-Verhalten:



Rated at 80Vdc or 42Vac (except WE-CNSW 50Vdc)

Data/Signal lines Common mode chokes



Störungsart Differential Mode

• Definition

• Material



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)

Störungsart – Erkennungsmöglichkeit



Filterung mit zwei Längsinduktivitäten:

• Filteraufbau mit 2 Ferriten (differential mode) beeinflußt das Nutzsignal!

Längsinduktivität – Nachteil



Kernmaterial-Parameter

XL (NiZn) R (NiZn)

Z

Ersatzschaltbild:

• Indirekte Permeabilitätsmessung

• |XC| ≈ 0 im Frequenzbereich

unterhalb der Eigenresonanz

Permeabilität – Frequenzabhängigkeit

ZR

LX

22LXRZ



1

10

100

1000

1 10 100 1000

1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000

Ersatzschaltbild Ferrit Im

pedanz in Ω

Impedanz in Ω

Frequenz in MHz Frequenz in MHz

RLX

CX



Impedanz der Wicklung

mit Kernmaterial

Impedanz der Wicklung

ohne Kernmaterial Kernmaterial

0ω L

x

Impedanz einer Spule mit Kern

=

Z = 0ωj L x μjμ

R

LX



Kernmaterial – Induktivität (Speicher)

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0,01 0,1 1 10 100 1000

XL(NiZn) XL(MnZn) XL(Fe)

„0“-400kHz „0“-10MHz „0“-40MHz

rela

tive R

eakta

nz

f in MHz



Kernmaterial – auch für Stromkompensierte Drosseln

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0,01 0,1 1 10 100 1000

R (NiZn) R (MnZn) R (Fe)

200kHz-

4MHz

3-60MHz 20-

2000MHz

rela

tive

Re

sis

tanz

f in MHz



1. Anwendung: Speicherinduktivität

Anforderung: möglichst geringe Kernverluste bei der Arbeitsfrequenz

2. Anwendung: Signalfilter in HF-Technik

Anforderung: sehr niedrige Eigenverluste

3. Anwendung: Absorber / Filter

Anforderung: möglichst hohe Verluste bei der Arbeitsfrequenz

hohe Güte

geringe Güte

sehr hohe Güte

Anwendung – Induktivität / Ferrit



0

10

20

30

40

50

60

1 10 100 1000

Induktivität

Ferrit

R

XQ L

Vergleich der Güte (quality factor):

Güte – Induktivität / Ferrit

f in MHz

Q



Fehlerrate: 4.4‰ Fehlerrate: 7.5‰

Verwendung von 2 SMD-Ferriten:

D+

D-

Erhöhung von Z

SMD-Ferrit in Datenleitung – Beispiel USB

ZDM = 35Ω @ 12MHz ZDM = 110Ω @ 12MHz



Lösung:

definiertes Filter aus mindestens 2 Bauteilen

mindestens ein Bauteil ist frequenzselektiv

Anpassung im Nutzfrequenzbereich

Fehlanpassung im Störfrequenzbereich

Filtereingang

1Z

2ZeU aUFilterausgang

Filter sind frequenzabhängige Spannungsteiler.

Prinzip der Filterung



…ist die in der EMV am häufigsten eingesetzte Filtervariante.

Lω

Cω

1

TP 1. Ordnung

TP 2.Ordnung

Cω

1

R

Der Tiefpass

eU

eU

aU

aU

f

f

f

CZ

CZ

LZ



…ist die Frequenz, bei der die Beträge der induktiven und kapazitiven

Blindwiderstände gleich groß sind.

CLRZ

ω

1ωj

0ω

1ω

CL

CLf

π2

1SRF res

CL III eeUUR

LU aUUC

Eigenresonanzfrequenz (SRF)

Ljω

Cjω

1eU aUf

f CX

LX

…entspricht der Grenzfrequenz

des LC-Tiefpasses

ReI



Einfügedämpfung

• Definition

• Berechnung

• Praxis-Beispiel



Senke Quelle

• logarithmisches Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsleistung:

• beschreibt die Abschwächung eines Signals über einen definierten Signalweg

z.B. SMD-Ferrit, Mikrostreifenleitung, Filter, …

ZA ZF

ZB U1 U0 U2

Übertragungsmedium

Einfügedämpfung – Definition

~

2

110

a

e10dB

log20log10U

U

P

PA



• Impedanz ZF:

Beschreibung mit Impedanzen:

• Gesamtsystemdämpfung:

Einfügedämpfung – Definition

Senke Quelle

ZA ZF

ZB U1 U0 U2

Übertragungsmedium

~

BA

BFA10dB

log20ZZ

ZZZA

BABA20

F

dB

10 ZZZZZA



• praktikable Quellen- und Senkenimpedanzen:

Masseebene

Spannungsversorgung

Video-, Clock-, Datenleitungen

lange Datenleitungen

Senke Quelle Übertragungsmedium

<1W

<10W

50 … 90W

90 … >150W

Einfügedämpfung – Realität

?



Messung der gestrahlten Emission:

0

10

20

30

40

50

60

Am

plit

ude in d

Bµ

V/m

30M 40M 50M 70M 100M 200M 300M 400M 600M 1G

Frequenz in Hz

Einfügedämpfung – Beispiel



Ansatzpunkt: Spannungsversorgung (Systemimpedanz: 10Ω

20dB bei 200MHz benötigt

0

10

20

30

40

50

60

1 10 100 1000

Impedanz des Ferrites [Ω]

Dä

mp

fun

g [

dB

]

1

10

100

0

10

20

30

40

50

60

1 10 100 1000

Impedanz des Ferrites [? ]

Dä

mp

fun

g [

dB

]

1 Ohm

10 Ohm

50 Ohm

180Ω

Katalog oder Component Selector: WE-CBF 742 792 61




WE-CBF 742 792 61




Messergebnisse nach weiteren Anpassungen:

0

10

20

30

40

50

60

Am

plit

ude in d

Bµ

V/m

30M 40M 50M 70M 100M 200M 300M 400M 600M 1G

Frequenz in Hz




falsche Annahme der Systemimpedanz

Möglichkeit der Verringerung der Impedanz des Ferrites

Möglichkeit 1: Dämpfung war höher als erwartet

0

10

20

30

40

50

60

1 10 100 1000


Dä

mp

fun

g [

dB

]

1

10

100

0

10

20

30

40

50

60

1 10 100 1000


Dä

mp

fun

g [

dB

]

1 Ohm

10 Ohm

50 Ohm

30dB




falsche Annahme der Systemimpedanz

Impedanz des Ferrites muss erhöht werden (ZF ~ 900Ω)

Möglichkeit 2: Dämpfung war unzureichend

0

10

20

30

40

50

60

1 10 100 1000


Dä

mp

fun

g [

dB

]

1

10

100

0

10

20

30

40

50

60

1 10 100 1000


Dä

mp

fun

g [

dB

]

1 Ohm

10 Ohm

50 Ohm

8dB




Hohe Systemimpedanzen resultieren in niedrigen Dämpfungswerten.

0

10

20

30

40

0,1 1 10 100 1000

10Ω

50Ω

200Ω

1kΩ

Filterung ist nur bis zu

einer gewissen

Systemimpedanz

möglich.

Einfügedämpfung – Systemimpedanz

f in MHz

Däm

pfu

ng in

dB

BA

F10dB

1log20ZZ

ZA

!



Filtertopologien

• Übersicht

• Demoboard

• LTspice, Filter-Simulation

• Impedanzverlauf Induktivität & Kapazität

• Einfügedämpfung verschiedener Filter

• Praxis-Beispiel



Eigenresonanz der Bauteile

beachten!

bei Auswahl SMD-Ferrit oder

Induktivität:

keine Resonanz mit ext. C

breitbandiger Filter

Quellimpedanz Lastimpedanz

niedrig

niedrig niedrig

hoch

hoch

hoch

unbekannt/

eher hoch

unbekannt/

eher niedrig

unbekannt/

eher niedrig

C

L

C C

L

L

C

L

unbekannt/

eher hoch

Empfohlene Filtertopologien

L

C



• Parallel-C-Filter

• L-Filter

• LC-Filter

• Π-Filter

• T-Filter

1n 10n 100n

100n

100n

100n 1n

Filtertopologien – Demoboard

50Ω Referenz



LTspice – Filtersimulation



• Nutzung des Verlustanteils R( f )

• Umwandlung des Gegentakt-Störstromes in Wärme

L-Filter mit SMD-Ferrit WE-CBF



• parasitäre Kapazitäten Cp:

Induktivität: 10pF … 500pF

SMD-Ferrit: 5fF … 5pF

• Verlustwiderstände Rp:

Induktivität: < 30kΩ

SMD-Ferrit: 10Ω … 3kΩ

logf

logZ

pω Lpω

1

C

pR

resf

Induktivität

SMD-Ferrit

Filtertopologien – Induktivität / SMD-Ferrit

pres

pp

resπ2

1

RfZ

CLf

pRpL

pC



-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

1 10 100 1000

Frequenz [MHz]

Däm

pfu

ng

in

dB

f in MHz

• L-Filter

Zmax = 3000Ω @ 80MHz

• WE-CBF 742 792 093:

A = -29dB @ 80MHz

Simulation

Messung

• Als Induktivität wird ein SMD-Ferrit genutzt.

Filtertopologien – L-Filter



L-Filter – Praxisbeispiel

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

1 10 100 1000

Am

plit

ude in d

B

Frequenz in MHz

L-Filter (Dämpfung)

L-Filter (Simulation)

Referenzmessung

Messung mit Filter



• Erweiterung der Filter mit einem weiterem frequenzabhängigen Bauteil:

Kondensator / Kapazität

• Serieninduktivität Ls:

SMD-Typ: 1nH … 5nH

• Verlustwiderstand Rs:

SMD-Typ: 20mΩ … 300mΩ (1Ω)

sω Lsω

1

C

sR

Filtertopologien – Kapazität

logf

logZ

resf

sres

ss

resπ2

1

RfZ

CLf

sR sL sC



0,01

0,1

1

10

0,1 1 10 100 1000

Frequenz / MHz

Zc

/ Oh

m

100nF SMD Keramik

mit 2x12mm

Zuleitungen

ohne Zuleitungen

10nF ohne Zuleitungen

Polyester SMD Keramik

1nF SMD Keramik ohne

Zuleitungen

100pF SMD

Keramik ohne

Zuleitungen

Filtertopologien – Kapazität Im

pedanz in

Ω

Frequenz in MHz



-90

-81

-72

-63

-54

-45

-36

-27

-18

-9

0

1 10 100 1000

Frequenz [MHz]

• Parallel-C-Filter

• Resonanzstellen:

Filtertopologien – Parallel-C-Filter

Dä

mp

fun

g in

dB

f in MHz

1n 10n 100n



• Vergleich Messung - Simulation

-100

-80

-60

-40

-20

0

1 10 100 1000

Frequenz [MHz]

Simulation

Messung

C1 = 1nF

C2 = 10nF

C3 = 100nF

CLf

s

resπ2

1

Beispiel:

Ls = 1nH

fres,C3 = 15.915MHz

Filtertopologien – Parallel-C-Filter

Däm

pfu

ng

in

dB

f in MHz



-90

-81

-72

-63

-54

-45

-36

-27

-18

-9

0

1 10 100 1000

Frequenz [MHz]

Däm

pfu

ng

in

dB

f in MHz


• LC-Filter

WE-CBF 742 792 093

C = 100nF

Simulation

Messung

Filtertopologien – LC-Filter

100n



-90

-81

-72

-63

-54

-45

-36

-27

-18

-9

0

1 10 100 1000

Frequenz [MHz]

Däm

pfu

ng

in

dB

f in MHz


• Π-Filter

WE-CBF 742 792 093

C1 = 1nF

C2 = 100nF

Simulation

Messung

Filtertopologien – Π-Filter

100n 1n



-90

-81

-72

-63

-54

-45

-36

-27

-18

-9

0

1 10 100 1000

Frequenz [MHz]

Däm

pfu

ng

in

dB

f in MHz


• T-Filter

WE-CBF 742 792 040

WE-CBF 742 792 093

C = 100nF

Simulation

Messung

Filtertopologien – T-Filter

100n



Tipps & Hinweise

• Trilogie

• Übersicht Bauteile und Materialien

• WE Homepage

• WE Toolbox

• Component Selector

• LTspice IV

• weitere Simulationstools



• 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

• Ergänzung zum Vortrag

„Trilogie der induktiven Bauelemente“



Kabel & THT (DM/CM) SMT (DM/CM)

Poster Entstör-/HF-Bauteile & Materialien



Homepage WE: www.we-online.de



Homepage WE: Toolbox



Component Selector

• Toolbox Software Component Selector



Simulation – LTspice IV

• Toolbox Software LTspice Simulator (mit WE Bauteilbibliothek)

• http://www.linear.com Design Support Design Simulation Page



• stromkompensierte Drosseln aus WE Sortiment

Simulation – LTspice IV



Vielen Dank

für Ihre

Aufmerksamkeit!

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