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

17.01.2013

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Agenda • Filter und Aufwand • Störungsarten

• Signale & Filter • Filterdrosseln • Enfügedämpfung Bauteilauswahl • Schaltungsbeispiele • Tips

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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. 16.08.2012 V1.1 | StS | Public | Grundlagen zu Kernmaterialien und Filterschaltungen © All rights reserved by Wurth Electronics, also in the event of industrial property rights. All rights of disposal such as copying and redistribution rights with us.

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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

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Strukturierte Entstörung

Erkennen der Störungsart: • Gleichtaktstörung • Gegentaktstörung

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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)

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Störungsart – Signaltheorie Störungsarten am Beispiel USB:

Sender/ Quelle

Empfänger/ Senke Gegentakt

Gleichtakt D+

D-

Übertragungsstrecke

Gleichtaktstörung Gegentaktstörung 16.08.2012 V1.1 | StS | Public | Grundlagen zu Kernmaterialien und Filterschaltungen © All rights reserved by Wurth Electronics, also in the event of industrial property rights. All rights of disposal such as copying and redistribution rights with us.

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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 16.08.2012 V1.1 | StS | Public | Grundlagen zu Kernmaterialien und Filterschaltungen © All rights reserved by Wurth Electronics, also in the event of industrial property rights. All rights of disposal such as copying and redistribution rights with us.

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Stromkompensierte Drossel – Signaltheorie Reduzierung der Störungen • sowohl vom Gerät nach außen • als auch von der Umwelt in das Gerät

Fazit: • „keine“ Beeinflussung des Nutzsignals  Gegentakt

• hohe Dämpfung des Störsignals

 Gleichtakt

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Stromkompensierte Drossel – Signaltheorie Entstörung am Beispiel USB: VCC

D+

D-

GND

Sender

Empfänger

Übertragungsstrecke

WE-CNSW Typ 0805

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Stromkompensierte Drossel – Signaltheorie Entstörung am Beispiel USB:

Erweiterung mit CMC auf Empfängerseite VCC

D+

D-

Sender

GND

Empfänger

Übertragungsstrecke

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Stromkompensierte Drossel – Signaltheorie Wird nur das Gegentaktsignal gedämpft? 10000

Z CM

Impedanz in Ω

1000

100

ZDM

10

1 1

10

f in MHz

100

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1000

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Stromkompensierte Drossel – Wicklungsart bifilar

LS  0.01%...0.1% von LN

sektionell

LS  0.5%...1% von LN

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Common Mode Choke

 Streuinduktivität CM choke

DM choke

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Stromkompensierte Drossel – Wicklungsart WE-SL2 744227 bifilare Wicklung

WE-SL2 744227S sektionelle Wicklung

10000

Impedanz in Ω

1000

100

10

1 1

10

f in MHz

100

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1000

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Noise – Common Mode and Differential Mode

10000

common mode impedance 1000

100

differential mode impedance

used signal (differential mode) 10

noise (common mode) noise (Differential1 mode)

1

10

100

1000

Please take care that there is no differential mode impedence at the fundamental frequency 16.08.2012 V1.1 | StS | Public | Grundlagen zu Kernmaterialien und Filterschaltungen © All rights reserved by Wurth Electronics, also in the event of industrial property rights. All rights of disposal such as copying and redistribution rights with us.

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Stromkompensierte Drossel – Einsatzort bifilar

sektionell

• geringere Gegentakt-Impedanz

• hohe kapazitive Kopplung • geringe Streuinduktivität

• Datenleitungsdrosseln  USB, Firewire, CAN, etc.

• geringe kapazitive Kopplung • hohe Streuinduktivität

• Netzein- und Ausgangsfilter  CMC mit Trennsteg

• DC-Spannungsversorgung

• Leistungselektronik

• Messsignal-Leitung

• Messsignal-Leitung

• Sensorleitung

• getaktete Netzteile

WE-CNSW

WE-SLM

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WE-LF

WE-CMB

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Data bus systems (differential wire pairs)

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Stromkompensierte Drossel – Messung (USB)

USB1.0 Modul

D+

CMC

CMC

D-

D+ D-

USB1.0 IC

Spektrum 0

 Datenfluss

-10

Leistung in dBm

-20

-30

-40

-50

-60

-70

-80 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Frequenz in MHz

HF-Generator

 gefiltert

 ungefiltert / gestört

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 ungefiltert / ungestört 19 www.we-online.com

Stromkompensierte Drossel – Beispiel USB

Fehlerrate: 3.4‰

ZCM = 32Ω // ZDM = 0.7Ω

Erhöhung von Z

CMC D+

Fehlerrate: 2.55‰

ZCM = 41Ω // ZDM = 0.7Ω

D-

Fehlerrate: 1‰

Erhöhung von Z

ZCM = 363Ω // ZDM = 1Ω 16.08.2012 V1.1 | StS | Public | Grundlagen zu Kernmaterialien und Filterschaltungen © All rights reserved by Wurth Electronics, also in the event of industrial property rights. All rights of disposal such as copying and redistribution rights with us.

Fehlerrate: 2.05‰

ZCM = 77Ω // ZDM = 1Ω 20 www.we-online.com

Beispiele…

• Praxis-Beispiel

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Typical applications

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USB X.X Firewire/IEEE 1394 LVDS CAN-bus ISDN LAN xDSL Analog Modem T1/E1 PABX Data Signal Lines Power lines (Vdc