Design and CM/DM analysis of a π-type EMI filter for CE102 in a 28V/15V-5A aircraft DC-DC converter

Öz

Due to the increasing complexity of electronic systems used in modern aircraft, problems caused by electromagnetic interference (EMI) have become more critical. In particular, conducted emissions caused by power electronics–based components may lead to exceeding the limit values defined in military and aviation standards. This situation creates significant risks in terms of flight safety, system stability, and mission continuity, and leads electromagnetic compatibility (EMC) to become an integral part of aircraft design. The increase in EMI-related issues has become more evident with the intensive use of switching power electronics units such as DC-DC converters. In this study, a π-type EMI filter including a passive common mode choke was designed to suppress conducted EMI within the scope of the CE102 test of the MIL-STD-461G standard for a typical DC-DC converter with 28 V input and 15 V–5 A output. The main objective of the study is to develop a CE102-oriented, reliable, and applicable EMI suppression solution for a power converter topology widely used in aviation applications and to evaluate the performance of this solution using multidimensional metrics. The DC-DC converter and the proposed EMI filter were modeled in the LTspice environment and systematically evaluated. The performance of the filter was evaluated using six different metrics. These metrics are voltage regulation, phase and magnitude frequency response, noise spectral density, time-domain testing, common mode rejection ratio (CMRR), and differential mode rejection ratio (DMRR), respectively. Then, the filter design was integrated into a DC-DC converter system to establish an EMI test setup, and simulation measurements were performed via LISN according to CE102 test limits. Through this method, filter performance was comprehensively analyzed in both frequency and time domains, as well as in terms of common and differential mode noise components. In the unfiltered condition, emission levels exceed the CE102 limit by up to 30 dB, especially in the 10 kHz–10 MHz frequency band. After the filter was integrated, the conducted EMI level decreased by 40–50 dB across the entire band. Thus, the conducted EMI fell below the limit values. The designed EMI filter effectively suppresses both common mode and differential mode noise. The obtained results show that the filter topology provides high suppression performance over a wide band and significantly reduces EMI levels without adversely affecting system stability. These simulation results indicate that the proposed filter can reduce conducted emissions to levels consistent with the CE102 limits. The filter circuit design offers a reliable and applicable solution in terms of EMI management. The findings show that the proposed π-type EMI filter structure is a promising method for reducing conducted EMI in aviation power systems. In addition, the study provides a reference framework that can form a basis for filter designs to be developed for future high-frequency switching devices and stricter EMC requirements.

Anahtar Kelimeler

• EMI filter
• DC-DC converter
• CE102 test
• MIL-STD-461G
• Common mode suppression
• Differential mode suppression

28V/15V-5A hava aracı DC-DC dönüştürücüsü için CE102’ye yönelik π-tipi EMI filtre tasarımı ve CM/DM analizi

Öz

Modern hava araçlarında kullanılan elektronik sistemlerin artan karmaşıklığı sebebiyle elektromanyetik girişim (EMI) kaynaklı problemler daha kritik hale gelmiştir. Özellikle güç elektroniği tabanlı bileşenlerin neden olduğu iletilen emisyonlar askeri ve havacılık standartlarında tanımlanan sınır değerlerin aşılmasına neden olabilmektedir. Bu durum, uçuş güvenliği, sistem kararlılığı ve görev sürekliliği açısından önemli riskler doğurmakta ve elektromanyetik uyumluluğun (EMC) hava aracı tasarımının ayrılmaz bir parçası haline gelmesine yol açmaktadır. EMI kaynaklı sorunların artması, özellikle DC-DC dönüştürücü gibi anahtarlamalı güç elektroniği birimlerinin yoğun kullanımıyla daha da belirgin hale gelmektedir. Bu çalışmada 28 V giriş ve 15 V–5 A çıkışa sahip tipik bir DC-DC dönüştürücü için MIL-STD-461G standardının CE102 testi kapsamında iletilen EMI’yi bastırmak amacıyla pasif ortak mod bobini içeren π tipi bir EMI filtre tasarımı gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın temel amacı, havacılık uygulamalarında yaygın olarak kullanılan bir güç dönüştürücü topolojisi için standartlara uyumlu, güvenilir ve uygulanabilir bir EMI bastırma çözümü geliştirmek ve bu çözümün performansını çok boyutlu metrikler ile değerlendirmektir. DC-DC dönüştürücü ve önerilen EMI filtresi LTspice ortamında modellenmiş ve sistematik olarak değerlendirilmiştir. Filtrenin performansı altı farklı metrik ile değerlendirilmiştir. Bu metrikler sırasıyla gerilim regülasyonu, faz ve genlik frekans cevabı, gürültü spektral yoğunluğu, zaman domeni testi, ortak mod bastırma oranı (CMRR) ve diferansiyel mod bastırma oranıdır (DMRR). Daha sonra filtre tasarımı bir DC-DC dönüştürücü sistemi ile entegre edilerek EMI test düzeneği oluşturulmuş ve LISN üzerinden CE102 test limitlerine göre simülasyon ölçümleri yapılmıştır. Bu yöntem sayesinde filtre performansı hem frekans hem zaman domeninde, hem de ortak ve diferansiyel mod gürültü bileşenleri açısından kapsamlı biçimde analiz edilmiştir. Filtresiz durumda özellikle 10 kHz–10 MHz frekans bandında emisyon seviyeleri CE102 sınırını 30 dB’ye kadar aşmaktadır. Filtre entegre edildikten sonra iletilen EMI seviyesi tüm bantta 40–50 dB azalmaktadır. Böylece iletilen EMI sınır değerlerin altına düşmektedir. Tasarlanan EMI filtresinin hem ortak mod hem de diferansiyel mod gürültüleri etkili şekilde bastırdığı görülmüştür. Elde edilen sonuçlar, filtre topolojisinin geniş bantta yüksek bastırma performansı sağladığını ve sistem kararlılığını olumsuz etkilemeden EMI seviyelerini önemli ölçüde düşürdüğünü göstermektedir. Bu simülasyon sonuçları, CE102 limitleriyle uyumlu bir bastırma performansı elde edildiğini göstermektedir. Önerilen filtre devre tasarımı, EMI yönetimi açısından güvenilir ve uygulanabilir bir çözüm sunmaktadır. Elde edilen bulgular, önerilen π tipi EMI filtre yapısının havacılık güç sistemlerinde standartlara uyum sağlamak için etkili bir yöntem olduğunu ortaya koymaktadır. Ayrıca çalışma, gelecekte yüksek frekanslı anahtarlama elemanları ve daha sıkı EMC gereksinimleri için geliştirilecek filtre tasarımlarına temel oluşturabilecek bir referans çerçeve sunmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• EMI filtresi
• DC-DC dönüştürücü
• CE102 testi
• MIL-STD-461G
• Ortak mod bastırma
• Diferansiyel mod bastırma

Kaynakça

1. [1] Requirements for the Control of Electromagnetic Interference Characteristics of Subsystems and Equipment, Department of Defense Interface Standard MIL-STD-461G, 2015, https://everyspec.com/MIL-STD/MIL-STD-0300-0499/MIL-STD-461G_53571/.
2. [2] C. Cao, P. Wang, W. Wang, D. Xu, “A Review of Filters for Conducted Electromagnetic Interference Suppression in Converters”, Energies, 18(24), 6470, 2025. https://doi.org/10.3390/en18246470.
3. [3] L. Radomsky, R. Keilmann, D. Ferch, R. Mallwitz, “Challenges and opportunities in power electronics design for all- and hybrid-electric aircraft: a qualitative review and outlook”, CEAS Aeronautical Journal, 15(4), 751–764, 2024. https://doi.org/10.1007/s13272-024-00770-6.
4. [4] Aircraft Electric Power Characteristics, Department of Defense Interface Standard MIL-STD-704F, 2004, https://everyspec.com/MIL-STD/MIL-STD-0700-0799/MIL-STD-704F_1083/.
5. [5] Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment, RTCA DO-160G, 2010, https://www.rtca.org/do-160/.
6. [6] R. Amjadifard, F. Bagheroskouei, V. Talebzadeh, “Conducted EMI Noise Modelling for DC–DC Converters Based on the Time-Domain Measurements”, IET Power Electronics, 18(1), e70026, 2025. https://doi.org/10.1049/pel2.70026.
7. [7] E. Şehirli, “Examining the Design of Different Types of DM EMI Filters and Their Effect on EMI Noise and Control Characteristics for Cuk DC-DC Converter”, International Transactions on Electrical Energy Systems, 2023, 7101065, 2023. https://doi.org/10.1155/2023/7101065.
8. [8] A. F. Huang, X. D. Zhao, Q. S. He, H. J. Wu, “Common-Mode Noise Estimation for a Boost Converter with Substitution Theorem”, Electronics, 14(17), 3375, 2025. https://doi.org/10.3390/electronics14173375.

9. [9] M. Darisi, T. Caldognetto, D. Biadene, M. Stellini, “Digital Active EMI Filter for Smart Electronic Power Converters”, Electronics, 13(19), 3889, 2024. https://doi.org/10.3390/electronics13193889.
10. [10] Analog Devices, “LTC3780: High Efficiency, Synchronous, 4-Switch Buck-Boost Controller, Analog Devices”, Norwood, USA, Rev. G, 2020, https://www.analog.com/en/products/ltc3780.html.
11. [11] J. L. Kotny, T. Duquesne, N. Idir, “Design of EMI filters for DC-DC converter”, 2010 IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, Lille, France, 01-03 September 2010. https://doi.org/10.1109/VPPC.2010.5729047.
12. [12] T. Healy, “The inductance of a straight wire”, Santa Clara University, Department of Electrical Engineering, 2000, https://ptacts.uspto.gov/ptacts/public-informations/petitions/1532811/download-documents?artifactId=X5WmR62kDhDcUVA7ZOz8-1XBDv70Zblrn4LBj0hj9VIJ443qfpv8Qjc.
13. [13] S. Wang, J. D. Van Wyk, F. C. Lee, “Effects of Interactions Between Filter Parasitics and Power Interconnects on EMI Filter Performance”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 54(6), 3344–3352, 2007. https://doi.org/10.1109/TIE.2007.906126.
14. [14] R. L. Ozenbaugh, T. M. Pullen, EMI Filter Design, 2nd Edition, Boca Raton, FL, USA, CRC Press, 2000. https://doi.org/10.1201/9780203910313.
15. [15] S. G. Ferguson, “Conducted emissions testing: A MIL-STD-461F tutorial”, EE, Evaluation Engineering, 47(9), 80-87, 2008, https://www.researchgate.net/publication/298117625_Conducted_emissions_testing_A_MIL-STD-461F_tutorial.
16. [16] F. Krismer, S. Schroth, H. Ertl, K. S. Kostov, H.-P. Nee, J. W. Kolar, “Analysis and Practical Relevance of CM/DM EMI Noise Separator Characteristics”, IEEE Transactions on Power Electronics, 32(4), 3112–3127, 2017. https://doi.org/10.1109/TPEL.2016.2579267.
17. [17] S. Yalçin, S. Özen, S. Helhel, “EMI filter design based on the separated electromagnetic interference in switched mode power supplies”, Turkish Journal of Electrical Engineering and Computer Sciences, 26(6), 3033–3043, 2018. https://doi.org/10.3906/elk-1601-319.
18. [18] D. Nielsen, O. C. Thomsen, M. A. E. Andersen, “Separation of common and differential mode conducted emission: Power combiner/splitters”, Renewable Energy and Power Quality Journal, 10(5), 2012. https://doi.org/10.24084/repqj10.440.