Синфазные дроссели TDK-EPCOS
Синфазные дроссели — универсальное классическое средство, позволяющее решить задачи подавления электромагнитных помех (ЭМП) и, соответственно, выполнить требования по электромагнитной совместимости (ЭМС). Эти устройства настолько привычны, что воспринимаются как нечто, не создающее проблем. Но всегда ли синфазный дроссель синфазный? Вот в чем вопрос, но на него есть ответ. И дело здесь в правильном выборе не только дросселя, но и его изготовителя и поставщика.
Когда разработчику радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) срочно приходится решать проблемы электромагнитной совместимости и подавления синфазных, а попутно и дифференциальных помех, он буквально хватается за синфазный дроссель. И это правильно. Казалось бы, тут все просто и понятно, про синфазные дроссели и их применение написано много, да и выбор их богатый, в конце концов, можно и самому сделать прибор, намотав, например, на ферритовое кольцо две проволочки. Однако проблемы, как и дьявол, всегда кроются в деталях. Вот на них-то мы и посмотрим.
В общем представлении синфазный дроссель — это связанная индуктивность, в нем на одном сердечнике намотаны как минимум две катушки (бывает, и три, и четыре). Кстати, для получения синфазного дросселя очень важна стратегия намотки (рис. 1), и это разработчикам РЭА хорошо известно. Для ясности и простоты остановимся на дросселе с двумя обмотками.
Рис. 1. Идеальный синфазный дроссель для дифференциальных токов (слева), синфазных токов (в середине) и его условное обозначение в схемах
К омпактное электрическое и электронное оборудование в основном генерирует синфазные помехи. Для того чтобы оно соответствовало требованиям безопасности (не выходя за пределы тока утечки), необходимо использовать дроссели с высоким значением асимметричной эффективной индуктивности. Для этой цели оптимальны дроссели с компенсацией тока с топологией с закрытым сердечником. Проблема насыщения сердечника за счет полезного тока в этих конструкциях решается выбором материала сердечника, но самое главное — намоткой двух катушек с равным числом витков на сердечнике. Катушки связаны таким образом, что магнитный поток, индуцированный верхней катушкой, компенсируется нижней катушкой.
Для подобного идеального дросселя магнитный поток в сердечнике обусловлен тем, что токи дифференциального режима iDM (рис. 1, слева) компенсируют друг друга, что приводит к нулевому сопротивлению (точнее, импедансу) дросселя. Но магнитные потоки Φ1 и Φ2, вызванные синфазными токами iCM (рис. 1, в середине), суммируются, что значительно увеличивает полное сопротивление (импеданс). Для получения такого прекрасного со всех точек зрения эффекта важно правильно выполнить обмотки, поэтому в условном обозначении дросселя данного типа (рис. 1, справа) используется две точки, чтобы указать, как должны быть выполнены обмотки.
Подводя итог, отметим, что синфазный дроссель выглядит как простой проводник для дифференциальных сигналов и как индуктивность для синфазных сигналов. Одно из преимуществ этих видов дросселей заключается в том, что они не будут насыщаться токами дифференциального режима. Для этих связанных индуктивностей коэффициент связи k может быть рассчитан по формуле:
здесь M — коэффициент взаимной индуктивности, а L1, L2 — индуктивности для обеих обмоток.
Значения индуктивностей для синфазного и дифференциального режима могут быть получены по формулам:
LDM = 2×(L-M) и LCM = (L+M)/2 (2)
Учитывая, что индуктивности L1 и L2 равны L и для 100%-ной идеальной связи k = 1, взаимная индуктивность M из формулы (1) получается равной индуктивности L (M = L), а индуктивности дросселя для синфазного и дифференциального режимов, как следует из формул (2), соответственно равны LDM = 0 и LCM = L.
Таким образом, подтверждается, что мы не обнаружим наличие импеданса для сигналов дифференциального режима, но будем иметь некоторое, определяемое индуктивность LCM значение импеданса для сигналов синфазного режима.
На практике взаимная компенсация магнитного потока в дифференциальном режиме не идеальна, этот факт разработчикам РЭА хорошо известен и широко используется. В дифференциальном режиме импеданс не равен нулю, он определяется такой характеристикой, как индуктивность рассеяния, и полезен для фильтрации сигналов дифференциального режима. Однако нельзя забывать и том, что в приложениях с высоким током необходимо убедиться в отсутствии эффекта насыщения сердечника дросселя.
Обратимся к наглядному и поучительному примеру. Столкнулись с крайне неприятной ситуацией, когда устройство, проверенное им на прототипе в лаборатории, провалилось на сертификационных испытаниях. Причем все элементы и компоновка были те же, что и в прототипе. Чтобы проанализировать и понять ситуацию, измерили реакцию синфазных дросселей прототипа (условно названного CHKA) и заявленного на сертификацию изделия (условно названного CHKB) с помощью векторного анализатора цепей Bode 100. Упрощенное измерение синфазного дросселя было выполнено, как показано на рис. 2.
 |
| Рис. 2. Упрощенное измерение импедансов для синфазного дросселя |
Результаты измерения дросселя, который удовлетворительно работал в приложении (CHKA), представлены на рис. 3.
Рис. 3. Характеристики дросселя CHKA
На рис. 3 можно увидеть, насколько велико различие импедансов синфазного режима по сравнению с дифференциальным. На втором дросселе (CHKB), снятом с изделия, на котором провалились испытания в сертификационной лаборатории, смог заметить очень тонкое отличие — на одной из катушек дросселя отсутствовал один виток (рис. 4).
 |
| Рис. 4. Дроссели, используемые в качестве примера |
У дросселя CHKA было 14 витков для L1 и L2, а у дросселя CHKB — 14 витков для L1 и 13 витков для L2. Это оказалось весьма существенной разницей. Если одна из катушек отличается от другой, то индуктивность для синфазного сигнала будет уменьшена (соответственно, плохая фильтрация синфазной ЭМП), а дифференциальная индуктивность увеличена. Когда речь идет о линиях передачи, это может привести к проблемам с целостностью сигналов (англ. Signal Integrity — наличие достаточных для безошибочной передачи качественных характеристик электрического сигнала), или если речь идет о цепях питания, то в приложениях с большим током сердечник, вероятно, может быть насыщен даже номинальным рабочим током.
Данный тип дросселей наматывается вручную, так что человеческие ошибки и/или некачественные проверки конечного продукта могут создать проблему, которую трудно будет сразу обнаружить и которая способна проявиться совершенно неожиданно.
Из приведенного примера ясно видно, насколько важна идеальная симметрия для двух катушек в дросселе. Даже в случае, когда в одной из катушек отсутствует лишь один виток, импеданс синфазного дросселя для синфазного режима резко уменьшается. Если говорить в целом, то несимметричность может быть вызвана не только пропуском полного витка, как в приведенном примере, но и просто нарушениями геометрии намотки. К сожалению, нередко этого нарушения шага намотки (не забываем, что в формулу для расчета индуктивности входит величина, обратная длине обмотки, так что при равных условиях неплотно намотанная катушка будет иметь меньшую индуктивность) или пропуска части витка при терминации просто не замечают. Вот почему для ответственных применений, особенно это касается высокочастотных приложений, не рекомендуется их самостоятельное, часто полукустарное, изготовление.
Результатом нарушения неидеальности исполнения синфазного дросселя будет низкая эффективность фильтрации синфазных сигналов ЭМП в области высоких частот — для чего, собственно, эти дроссели и используются. Таким же образом индуктивность в дифференциальном режиме увеличивается с типичным эффектом насыщения сердечника или нарушениями целостности сигнала из-за снижения частоты среза фильтра, образованного индуктивностью рассеяния и, в зависимости от включения дросселя, входной или выходной емкостью.
Отсюда следует вывод: будьте осторожны с недорогими и, как правило, не гарантирующими должного качества компонентами. Это касается не только идеальности намотки, но и материалов, из которых они изготовлены, поскольку последние влияют на точность соблюдения индуктивности и ток насыщения.
В качестве выхода из ситуации можно предложить использовать для критических приложений синфазные дроссели от поставщиков, имеющих надежную репутацию на рынке. (В противном случае, как известно, скупой заплатит дважды.) Одним из таких поставщиков является TDK Corporation — японская компания, занимающаяся производством электронных компонентов и носителей информации.Позиции компании по выпуску элементов из ферритовых материалов значительно усилились в 2008 году после приобретения 90% акций еще одной известной компании EPCOS AG (Electronic Parts and Components) — европейского лидера по производству пассивных электронных компонентов. Объединение таких брендов и их технологий позволило вывести на рынок изделия в качестве, надежности и технических характеристиках которых можно не сомневаться, в том числе синфазных дросселей, специально разработанных для подавления ЭМП и решения вопросов ЭМС.
Как уже было сказано, синфазные дроссели помогают решить две важные проблемы по ЭМС. Первая — очистить цепи питания от ЭМП, то есть уменьшить их излучение цепями питания и линиями их подключения, а вторая — защитить цепи или линии передачи сигнала от воздействия ЭМП. Эти проблемы очень различаются, соответственно, для их решения требуются разные типы синфазных дросселей. Компания TDK и ее структурное подразделение EPCOS предлагают универсальные решения для обеих проблем. В портфелях предложений компании имеются синфазные дроссели, как говорится, на любой вкус и цвет — от традиционных двух- и трех- до четырехобмоточных проволочных, рассчитанных на средние и большие токи, а также миниатюрные многослойные и тонкопленочные, предназначенные для сигнальных цепей, и сборки из нескольких дросселей, выполненные в одном корпусе.
Примеры конструктивного исполнения синфазных дросселей компании EPCOS для линий питания
Дроссель для защиты от синфазных помех, генерируемых импульсным источником питания
Синфазный дроссель — важнейший компонент входного фильтра любого импульсного источника питания. Дело в том, что в процессе работы импульсного преобразователя любой топологии, при переключении полевых транзисторов возникают синфазные помехи, которые распространяются в проводниках и по дорожкам печатных плат.
Эти помехи представляют собой вредные импульсные токи высокочастотного диапазона, которые текут одновременно и по плюсовому и по минусовому проводам, причем в одном и том же направлении. Если эти помехи в конце концов попадут в сеть питания переменного тока, то они способны не только понизить качество функционирования приборов включенных в сеть по соседству, но даже вывести их из строя, особенно сигнальные цепи цифровых блоков.
По данной причине, сегодня все бытовые приборы, принципиально могущие стать источниками синфазных помех, оснащены синфазными дросселями. К таким прибором относятся: принтеры, сканеры, мониторы, плееры, периферия ПК, сами ПК и т. д.
В каждом устройстве, где имеется импульсный блок питания, на входе после конденсатора фильтра обязательно установлен двухобмоточный синфазный дроссель на кольцевом или П-образном сердечнике. По бокам от дросселя установлены конденсаторы для подавления дифференциальных помех (дифференциальные помехи — это отдельная тема), а также высоковольтные Y-конденсаторы.
Две обмотки синфазного дросселя намотаны на общий сердечник из материала с высокой магнитной проницаемостью, такого как феррит. И если по проводам обмоток потекут токи синфазной помехи — от источника в сторону сети, то магнитные поля этих токов сложатся, и индуктивность дросселя проявит себя в полной мере подавлением этих токов: львиная доля их энергии уйдет на создание магнитного поля, — таким образом амплитуда помехи существенно уменьшится, и до сети переменного тока синфазная помеха если и дойдет, то сильно ослабленной, уже не способной как-то вредоносно себя проявить.
С другой стороны, когда переменный ток из сети подается к потребителю, встречая на своем пути синфазный дроссель, он не испытывает абсолютно никакого сопротивления, ибо омическое сопротивление проводов пренебрежимо мало, а магнитные поля токов в двух проводниках направлены противоположно друг другу и равны по величине между собой.
Катушки абсолютно идентичны и намотаны идеально симметрично. Часто эти обмотки выполнены намоткой в два провода, что минимизирует индуктивность рассеивания между ними. Получается, что индуктивность синфазного дросселя для обычного импульсного тока, который в двух проводах имеет противоположное направление и одну и ту же величину, будет нулевой. Таким образом, синфазный дроссель мешает исключительно синфазным помехам, источником которых является блок питания, а не сеть переменного тока.
А если бы синфазного дросселя не было, то синфазная помеха беспрепятственно проникла бы и в сеть переменного тока, не помешали бы и конденсаторы между проводами на пути ее распространения.
Что касается эффективных конденсаторов на пути синфазной помехи, то это — керамические высоковольтные конденсаторы (Y-конденсаторы) емкостью в единицы нанофарад, устанавливаемые между каждым проводом питания и шиной заземления, чтобы часть энергии синфазных помех уходила бы в землю. Для рабочего тока данные конденсаторы представляют очень большое сопротивление, в связи с чем на КПД устройства не влияют.
Выпускаемые промышленностью выводные и SMD синфазные дроссели для плат импульсных источников питания отличаются рядом преимуществ. Они довольно компактны, не занимают много места на печатной плате, их активное сопротивление не превышает единиц мОм, а максимально допустимый ток питания через дроссель зависит по сути только от толщины провода и мощности устройства. Номинальный ток варьируется от 1мА до 10 А. Типовые величины индуктивностей — от 10 мкГн до 100 мГн.
Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника
Подписывайтесь на канал в Telegram про электронику для профессионалов и любителей: Практическая электроника на каждый день
Синфазные дроссели TDK-EPCOS как решение проблемы… синфазных дросселей
Когда разработчику радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) срочно приходится решать проблемы электромагнитной совместимости и подавления синфазных, а попутно и дифференциальных помех, он буквально, как утопающий за соломинку, хватается за синфазный дроссель. И это правильно. Казалось бы, тут все просто и понятно, про синфазные дроссели и их применение написано много, да и выбор их богатый, в конце концов, можно и самому его сделать, намотав, например, на ферритовое кольцо две проволочки. Однако проблемы, как и дьявол, кроются в деталях.
В общем представлении синфазный дроссель — это связанная индуктивность, в нем на одном сердечнике намотаны как минимум две катушки (бывает, и три, и четыре). Кстати, для получения синфазного дросселя очень важна стратегия намотки (рис. 1), и это разработчикам РЭА хорошо известно. Но в нашем случае, чтобы понять, где тут «дьявол», воспользуемся принципом «повторение — мать учения». Для ясности и простоты остановимся на дросселе с двумя обмотками.
Рис. 1. Идеальный синфазный дроссель:
а) для дифференциальных токов;
б) синфазных токов;
в) его условное обозначение в схемах
Компактное электрическое и электронное оборудование в основном генерирует синфазные помехи. Для того чтобы оно соответствовало требованиям безопасности (не выходя за пределы тока утечки), необходимо использовать дроссели с высоким значением асимметричной эффективной индуктивности. Для этой цели оптимальны дроссели с компенсацией тока в топологии с закрытым сердечником. Проблема насыщения сердечника за счет полезного тока в этих конструкциях решается выбором материала сердечника, но самое главное — намоткой двух катушек с равным числом витков на сердечнике. Катушки связаны таким образом, что магнитный поток, индуцированный верхней катушкой, компенсируется нижней катушкой.
Для подобного идеального дросселя магнитный поток в сердечнике обусловлен тем, что токи дифференциального режима iDM (рис. 1а) компенсируют друг друга, что приводит к нулевому сопротивлению (точнее, импедансу) дросселя. Но магнитные потоки Ф1 и Ф2, вызванные синфазными токами iCM (рис. 1б), суммируются, что значительно увеличивает полное сопротивление (импеданс). Для получения такого прекрасного со всех точек зрения эффекта важно правильно выполнить обмотки, поэтому в условном обозначении дросселя данного типа (рис. 1в) используется две точки, чтобы указать, как должны быть выполнены обмотки.
Подводя итог, отметим, что синфазный дроссель выглядит как простой проводник для дифференциальных сигналов и как индуктивность для синфазных сигналов. Одно из преимуществ этих видов дросселей заключается в том, что они не будут насыщаться токами дифференциального режима. Для этих связанных индуктивностей коэффициент связи k может быть рассчитан по формуле (1):
где M — коэффициент взаимной индуктивности, а L1, L2 — индуктивности для обеих обмоток.
Значения индуктивностей для синфазного и дифференциального режимов могут быть получены по формулам (2):
Учитывая, что индуктивности L1 и L2 равны L и для 100%-ной идеальной связи k = 1, взаимная индуктивность M из формулы (1) получается равной индуктивности L (M = L), а индуктивности дросселя для синфазного и дифференциального режимов, как следует из формул (2), соответственно, равны LDM = 0 и LCM = L.
Таким образом, подтверждается, что мы не обнаружим наличия импеданса для сигналов дифференциального режима, но будем иметь некоторое, определяемое индуктивностью LCM значение импеданса для сигналов синфазного режима. Однако спустимся с небес на землю: здесь часто возникают другие трудности.
На практике взаимная компенсация магнитного потока в дифференциальном режиме не идеальна, этот факт разработчикам РЭА хорошо известен и широко используется. В дифференциальном режиме импеданс не равен нулю, он определяется такой характеристикой, как индуктивность рассеяния, и полезен для фильтрации сигналов дифференциального режима. Однако нельзя забывать и том, что в приложениях с высоким током необходимо убедиться в отсутствии эффекта насыщения сердечника дросселя.
Здесь полезно обратиться к наглядному и поучительному примеру, приведенному в [1]. Автор этой статьи столкнулся с крайне неприятной ситуацией, когда устройство, проверенное им на прототипе в лаборатории, провалилось на сертификационных испытаниях. Причем все элементы и компоновка были те же, что и в прототипе. Чтобы проанализировать и понять ситуацию, автор измерил реакцию синфазных дросселей прототипа (условно названного CHKA) и заявленного на сертификацию изделия (условно названного CHKB) с помощью векторного анализатора цепей Bode 100. Упрощенное измерение синфазного дросселя было выполнено, как показано на рис. 2.
Рис. 2. Упрощенное измерение импедансов для синфазного дросселя:
а) синфазного режима;
б) дифференциального режима
Результаты измерения дросселя, который удовлетворительно работал в приложении (CHKA), представлены на рис. 3.
Рис. 3. Характеристики дросселя CHKA:
а) синфазного режима;
б) дифференциального режим
На рис. 3 можно увидеть, насколько велико различие импедансов синфазного режима по сравнению с дифференциальным. На втором дросселе (CHKB), снятом с изделия, на котором провалились испытания в сертификационной лаборатории, автор смог заметить очень тонкое отличие — на одной из катушек дросселя отсутствовал один виток (рис. 4).
Рис. 4. Дроссели, используемые в качестве примера в [1]
У дросселя CHKA было 14 витков для L1 и L2, а у дросселя CHKB — 14 витков для L1 и 13 витков для L2. Это оказалось весьма существенной разницей. Если одна из катушек отличается от другой, то индуктивность для синфазного сигнала будет уменьшена (соответственно, будет плохая фильтрация синфазной ЭМП), а дифференциальная индуктивность увеличена. Когда речь идет о линиях передачи, это может привести к проблемам с целостностью сигналов (Signal Integrity — наличие достаточных для безошибочной передачи качественных характеристик электрического сигнала), или если речь идет о цепях питания, то в приложениях с большим током сердечник, вероятно, может быть насыщен даже номинальным рабочим током.
Данный тип дросселей наматывается вручную, так что человеческие ошибки и/или некачественные проверки конечного продукта могут создать проблему, которую трудно будет сразу обнаружить и которая способна проявиться совершенно неожиданно. Сравнение обоих дросселей приведено на рис. 5.
Рис. 5. Сравнение характеристик дросселей CHKA и CHKB:
а) синфазного режима;
б) дифференциального режима
Из приведенного примера ясно, насколько важна идеальная симметрия для двух катушек в дросселе. Даже в случае, когда в одной из катушек отсутствует лишь один виток, импеданс синфазного дросселя для синфазного режима (рис. 5а) резко уменьшается, как, например, от точки A к точке B на той же самой частоте. Если говорить в целом, то несимметричность может быть вызвана не только пропуском полного витка, как в приведенном примере, но и просто нарушениями геометрии намотки. К сожалению, нередко этого нарушения шага намотки (не забываем, что в формулу для расчета индуктивности входит величина, обратная длине обмотки, следовательно, при равных условиях неплотно намотанная катушка будет иметь меньшую индуктивность) или пропуска части витка при терминации просто не замечают. Вот почему для ответственных применений, особенно это касается высокочастотных приложений, не рекомендуется их самостоятельное, часто полукустарное, изготовление.
Результатом нарушения исполнения синфазного дросселя будет низкая эффективность фильтрации синфазных сигналов ЭМП в области высоких частот — для чего, собственно, эти дроссели и используются. Таким же образом индуктивность в дифференциальном режиме увеличивается от A до B (рис. 5б) с типичным эффектом насыщения сердечника или нарушениями целостности сигнала из-за снижения частоты среза фильтра, образованного индуктивностью рассеяния и в зависимости от включения дросселя входной или выходной емкостью [5].
Отсюда следует вывод: чтобы вы могли спать спокойно, пока ваше изделие проходит квалификацию в сертификационной лаборатории (впрочем, по опыту автора настоящей статьи, спокойно спать сложно [2], но по крайней мере вас не будут мучить кошмары: сертификация — дело небыстрое и дорогое), — будьте осторожны с недорогими и, как правило, не гарантирующими должного качества компонентами. Это касается не только идеальности намотки, но и материалов, из которых они изготовлены, поскольку последние влияют на точность соблюдения индуктивности и ток насыщения.
В качестве выхода из ситуации можно предложить использовать для критических приложений синфазные дроссели от поставщиков, имеющих надежную репутацию на рынке. Одним из таких поставщиков является TDK Corporation — японская компания, занимающаяся производством электронных компонентов и носителей информации. Название произошло из исходного японского наименования компании Tokyo Denkikagaku Kōgyō. Компания, основанная Кензо Сайто (Kenzo Saito) еще в 1935 году, первой в мире поняла перспективу и начала специализироваться на изготовлении ферритов, незадолго до этого открытых докторами Йогоро Като (Dr. Yogoro Kato) и Такеши Такеи (Dr. Takeshi Takei) из Токийского технологического института. С тех пор TDK остается одним из ведущих производителей, успешно работающих в этой области. Позиции компании по выпуску элементов из ферритовых материалов значительно усилились в 2008 году после приобретения 90% акций еще одной известной компании EPCOS AG (Electronic Parts and Components) — европейского лидера по производству пассивных электронных компонентов. Объединение таких брендов и их технологий позволило вывести на рынок изделия, в качестве, надежности и технических характеристиках которых можно не сомневаться. В том числе компания выпускает синфазные дроссели, специально разработанные для подавления ЭМП и решения вопросов ЭМС [3, 4].
Как уже было сказано, синфазные дроссели помогают решить две важные проблемы по ЭМС. Первая — очистить цепи питания от ЭМП, то есть уменьшить их излучение цепями питания и линиями их подключения, а вторая — защитить цепи или линии передачи сигнала от воздействия ЭМП. Эти проблемы очень различаются, соответственно, для их решения требуются разные типы синфазных дросселей [5, 6]. Компания TDK и ее структурное подразделение EPCOS предлагают универсальные решения для обеих проблем. В портфелях предложений компании имеются синфазные дроссели на любой вкус и цвет — от традиционных двух- и трехобмоточных до четырехобмоточных проволочных, рассчитанных на средние и большие токи, а также миниатюрные многослойные и тонкопленочные, предназначенные для сигнальных цепей, и сборки из нескольких дросселей, выполненные в одном корпусе [3].
Что касается продукции головной компании TDK, выбор подходящего синфазного дросселя проще всего осуществить по путеводителю [3], в котором приведены наглядные примеры применения тех или иных серий, и по таблицам с необходимыми гиперссылками на сайт компании:
- Для выбора синфазных дросселей коммерческого назначения для сигнальных линий [7].
- Для выбора синфазных дросселей автомобильного назначения для сигнальных линий [8].
- Для выбора синфазных дросселей автомобильного назначения для линий питания [9].
Что касается продукции EPCOS, читатель найдет дроссели для линий питания по ссылке [10], а дроссели для линий данных и сигнальных линий — по ссылке [11]. Внешний вид некоторых синфазных дросселей компании EPCOS для линий питания показан на рис. 6. Поскольку ассортимент продукции компании TDK все время обновляется, для оптимального выбора компонентов необходимо обратиться к сайту европейского представительства TDK Electronics — TDK Europe [12], где доступна вся необходимая информация, или к ее авторизованным региональным представителям. Кроме того, компания имеет службу технической поддержки, которая оказывает клиентам всестороннюю помощь.
Рис. 6. Примеры конструктивного исполнения синфазных дросселей компании EPCOS для линий питания:
а) серия B82724J8 N;
б) серия B82732R;
в) серия B82732W;
г) серия B82724B;
д) серия B82747S6313;
е) серия B82725S2*
Какая индуктивность должна быть на синфазном дросселе
Синфазные дроссели (дроссели CM, также известные как линейные фильтры) широко используются в источниках питания с коммутацией мод (SMPS) для подавления кондуктивных и излучаемых помех, если это необходимо для соответствия требованиям международных стандартов электромагнитной совместимости (ЭМС). Готовый продукт не должен вносить серьезного электромагнитного загрязнения в общедоступную электромагнитную сеть и в то же время должен быть защищен от электромагнитных помех, исходящих из той же окружающей среды. Особо следует отметить, что если можно эффективно контролировать кондуктивные помехи (для диапазона частот от 150 кГц до 30 МГц, указанного в стандартах ЭМС), то излучаемые помехи также можно ослаблять (для частот шума> 30 МГц). Поэтому очень важно спроектировать и выбрать соответствующие синфазные дроссели, основываясь на силе и частоте электромагнитных помех, чтобы SMPS успешно соответствовали соответствующим стандартам. Чем эффективнее и быстрее это можно сделать, тем меньше времени и затрат потребуется для выпуска нового продукта на рынок.
Кажется, самый популярный метод выбора дросселя CM — это выбрать подходящую частоту среза фильтра низких частот L-Cy. Это направлено на значительное снижение кондуктивного шума в определенном диапазоне частот. Но для ограничения тока утечки продукта, очевидно, нежелательно делать значение Y-конденсатора (конденсатор линии-земля) слишком большим, потому что это приводит к тому, что индуктивность дросселя CM должна быть настолько высокой, насколько это возможно. Недостаток этого заключается в том, что чем выше значение индуктивности дросселя, тем больше его физический размер, и поэтому инженеры вынуждены идти на дорогостоящий компромисс, поскольку дроссели CM обычно занимают очень ограниченное пространство в схеме SMPS. Таким образом, в конечном итоге им приходится находить дроссель CM, который умещается в небольшом выделенном пространстве и может сделать это только с помощью сердечника с более высокой проницаемостью, что требует больших затрат. Существует лучший способ!
Сердечники, обычно используемые в дросселях CM, обычно изготавливаются из материалов с высокой проницаемостью, начиная с проницаемости 5000 (5К) и до 7000 (7К), 10000 (10К) или даже выше в ферритовых материалах MnZn. Важный вопрос: «Дает ли более высокая индуктивность дросселя CM лучший результат в подавлении / и невосприимчивости к EMI?»
Чтобы понять эту проблему, сначала были исследованы дроссели CM с различными материалами сердечника. В испытательных образцах использовались тороидальные сердечники одинакового размера, проволочный калибр и число витков. Были подготовлены три набора этих образцов, дифференцированных только по материалу керна с начальной проницаемостью 5К, 7К и 10К, соответственно. Для определения частот от 10 кГц до 120 кГц на одной обмотке этих синфазных дросселей использовался анализатор сопротивления. Полученные частотные характеристики индуктивности и импеданса показаны на рис. 1 и рис. 2 соответственно.
| Рис.1 — Частотные характеристики индуктивности дросселя CM с одинаковыми размерами сердечника, но с разными материалами исходной проницаемости |
Результаты рис. 1 показывают, что индуктивность пропорциональна начальной проницаемости материала сердечника . Чем выше начальная проницаемость материала сердечника , тем выше индуктивность дросселя CM при одинаковом числе витков и одинаковом размере сердечника. Индуктивность дросселя из материала 10К почти вдвое превышает индуктивность дросселя из материала 5К, когда дроссель работает при частоте 100 кГц, тогда как индуктивность дросселя из материала 7К лишь немного выше, чем у дросселя из материала 5К в том же диапазоне частот.
Но измерения импеданса не отражают эффективность результатов индуктивности, как показано на рис.2. Более высокая начальная проницаемость материала сердечника не всегда дает более высокий импеданс. Наилучшее затухание шума приходится на материал 7K, который имеет самое высокое значение импеданса на частоте от 300 кГц до 400 кГц. Этот частотный диапазон является оптимальной рабочей частотой материала сердечника 7К. Материал 5К и 10К имеют очень близкие пиковые значения импеданса, но встречаются в разных оптимальных частотных диапазонах. Дроссель материала 5К имеет пиковый импеданс на частоте около 400 кГц, но дроссель материала 10К имеет пиковый импеданс в диапазоне от 200 кГц до 300 кГц. Когда материал сердечника имеет более высокую начальную проницаемость, дроссель обладает большей способностью подавлять низкочастотные синфазные помехи. Если частота выше 200 кГц, дроссель 7К постепенно опережает импеданс по материалам 5К и 10К. Тем не менее, дроссель материала 7K имеет резкую кривую формы колокола по сравнению с материалом 5K и 10K, кривые импеданса которого намного более гладкие в окрестности пиковых значений импеданса.
| Рис. 2 — Характеристики полного сопротивления одиночной обмотки CM CHK для одинакового размера сердечника, одинакового числа витков, но разных исходных проницаемостей. |
Таким образом, здесь обнаруживается явное указание на то, что правильный способ проектирования и выбора дросселя CM должен учитывать не только индуктивность, но и диапазон частот, в котором возникает мешающая частота. Таким образом, следует выбирать подходящий материал сердечника, чтобы получить оптимальный результат подавления электромагнитной совместимости без чрезмерного увеличения размера компонента или перехода на более дорогие материалы более высокого качества.
Для получения одинаковых индуктивностей на тороидальных сердечниках одинакового размера с разными материалами сердечника дроссели CM затем были намотаны с разным числом витков с использованием одного и того же провода. Здесь мы нацелены на дроссели с индуктивностью в диапазоне частот от 10 кГц до 100 кГц. Рабочие характеристики этих дросселей CM показаны на фиг.3 и фиг.4 соответственно.
Кривые индуктивности, показанные на фиг.3, отражают оптимальную рабочую частоту различных материалов. Частота, соответствующая индуктивности в нуле на фиг.3, совпадает с частотой, на которой максимальный импеданс возникает на фиг.4. (Примечание: частота в этой точке называется частотой нулевого фазового угла (ZPA).)
Хорошо известно, что для сердечника с более низкой проницаемостью требуется большее число витков, чтобы иметь эквивалентную индуктивность сердечника с более высокой проницаемостью. При увеличении числа витков в результате увеличивается индуктивность И емкость, причем последняя увеличивается с более медленной скоростью, что можно оценить на фиг.3.
| Рис. 3 Характеристики индуктивности с одинарной обмоткой CM CHK с одинаковой индуктивностью, но с разными материалами при одинаковом размере сердечника |
| Рис. 4 Характеристики полного сопротивления обмотки CM CHK с одинаковой индуктивностью, но с разными материалами при одинаковом размере сердечника |
Кривые импеданса на рисунке 4 показывают, что чем больше число витков дросселя CM, тем сильнее способность подавления помех у дросселя. Пиковое значение импеданса материала 5К почти в два раза больше, чем у материала 10К, хотя их индуктивность очень похожа. Более высокое число витков также означает увеличение потерь меди в дросселе, что делает его менее привлекательным, поскольку общая эффективность продукта всегда является ключевым фактором.
С другой стороны, оптимальный диапазон частот совершенно различен для разных материалов сердечника. Из трех типов дросселей CM, дроссель из материала сердечника 5K имеет самую острую форму. Оптимальный частотный диапазон (ширина полосы) дросселя материала сердечника 10K шире, и мы настоятельно рекомендуем использовать его в тех цепях SMPS, которые проводят помехи в гораздо более низком частотном диапазоне.
Таким образом, ясно, что материал сердечника определяет диапазон частот смягчения помех, а число витков определяет его способность ослаблять помехи.
Учитывая общую производительность этих дросселей CM, материал 7K показал не только лучшую производительность в высокочастотной полосе, чем материал 5K, но также показал более широкую полосу смягчения помех, аналогичную характеристикам материала 10K. Таким образом, дроссели основного материала 7K должны быть первыми, которые должны быть рассмотрены инженерами-проектировщиками.
Если у вас есть требования к дроссельной заслонке CM, пожалуйста, обратитесь к приведенным выше рис. 5 кривым, которые соответствуют нашим «готовым» продуктам дроссельной заслонки CM.
| Рис.5 Marque Magnetics «с полки» CM дроссели с одинарной характеристикой частоты полного сопротивления обмотки |
Таблица I представляет более подробную информацию о наших стандартных дросселях CM. Если он вам нужен за пределами этой таблицы, мы можем предоставить вам специальную заслонку для вашего приложения.
HANG TUNG LTD, ваш надежный выбор для компонентов раны!