600007 г. Владимир, ул. 16 лет Октября, д. 68А, литер "Ф", этаж 2, помещение 12
+7 (4922) 53-10-31
info@skb-proton.ru

Дроссели общего режима снижают проводимые выбросы

Проектирование и изготовление копланарных ламинированных проводников

Характеристики связанного индуктора напрямую влияют на проводимые выбросы и излучаемые выбросы на силовых и сигнальных линиях.

Фильтры электромагнитных помех часто используют соединенные катушки индуктивности. Наиболее распространенным типом связанной катушки индуктивности является синфазный дроссель, пассивный компонент, который обеспечивает значительную индуктивность для фильтрации синфазных сигналов при обеспечении минимальной индуктивности дифференциального режима. Катушки индуктивности с дифференциальной связью встречаются реже, но для применения с низким током они могут обеспечить ту же индуктивность в меньшем объеме, что и два отдельных несвязанных катушки индуктивности.

В этой статье мы сосредоточимся в первую очередь на синфазных дросселях, но представленные принципы в равной степени применимы и к индукторам с дифференциальной модуляцией.

Связанный против несвязанного

Соединенные катушки индуктивности отличаются от стандартных катушек индуктивности несколькими способами. Стандартный индуктор – это двухполюсное устройство, имеющее один проводник, намотанный в катушку, обычно вокруг магнитопроводящего сердечника. С другой стороны, соединенный индуктор имеет два или более проводника, намотанных на один сердечник. Соединенный индуктор чаще всего представляет собой четырехполюсное устройство, но синфазные дроссели могут иметь шесть выводов для 3-фазных применений или больше для многожильных применений.

standard inductor, common mode choke, differential mode inductor - Conducted Emissions

Соединенные катушки индуктивности обеспечивают высокую индуктивность в небольшом объеме. Синфазные дроссели обеспечивают высокую индуктивность за счет использования сердечника с высокой проницаемостью. Их индуктивность пропорциональна числу витков в квадрате на каждой обмотке. Индукторы дифференциального режима достигают высокой индуктивности, поскольку их индуктивность пропорциональна квадрату всех витков обмотки на сердечнике.

Электрические характеристики соединенных катушек индуктивности значительно варьируются в зависимости от частот, представляющих интерес для фильтрации электромагнитных помех. Полезный диапазон частот большинства силовых дросселей составляет от нескольких килогерц до нескольких десятков мегагерц. Дроссели сигнальной линии работают на несколько более высоких частотах, превышающих около 100 МГц.

Идеальная модель против неидеальной модели

Синфазный дроссель может быть адекватно смоделирован как подсхема, состоящая из нескольких пассивных сосредоточенных элементов схемы. На схеме ниже показана одна модель, которая учитывает изменяющееся по частоте поведение связанных катушек индуктивности.

Common Mode Choke Model - Electromagnetic Interference

Эта модель не только обеспечивает синфазную индуктивность дросселя, но и учитывает эффекты трех важных паразитных элементов:

a. Сопротивление обмотки
b. Емкость переплетения
c. Индуктивность утечки

В нижеприведенных параграфах каждый из них обсуждается более подробно.

Индуктивность

Индуктивность зависит от проницаемости магнитного сердечника и количества витков провода на сердечнике. Индуктивность пропорциональна числу витков в квадрате. Проницаемость сердечника зависит от материала, температуры, смещения постоянного тока и частоты. Точное моделирование индуктора требует учета каждого из этих свойств. Однако для многих применений индуктивность утечки, емкость между витками и сопротивление обмотки являются доминирующими свойствами и достаточны для прогнозирования производительности фильтра электромагнитных помех.

Коэффициент сцепления

Коэффициент связи синфазного дросселя является мерой того, насколько полностью магнитный поток от одной обмотки соединяется с другой обмоткой (ами). Например, коэффициент связи 0,95 означает, что 95% магнитного потока связано, а 5% – нет.

Магнитный поток, соединяющий все обмотки на сердечнике, равен взаимной индуктивности между обмотками. Поток, который не связан, напрямую связан с индуктивностью утечки. Индуктивность утечки – это паразитный элемент, присутствующий во всех физических индукторах, который может оказывать глубокое влияние на производительность фильтра.

Для иллюстрации рассмотрим синфазный дроссель, который имеет гипотетический коэффициент сцепления 100%. Обе обмотки идеально соединены. Ток, проходящий через любую обмотку, индуцирует равный ток в другой обмотке. Если ток через обе обмотки одинаков, то магнитный поток в сердечнике равен нулю. Весь поток сердечника, генерируемый током в одном выводе, компенсирует поток сердечника, генерируемый током в другом выводе.

Однако, если коэффициент связи меньше 100%, скажем, 0,95, то 5% магнитного потока не связаны. Ток в одной обмотке не вызывает равного тока в другой обмотке, поэтому магнитный поток в сердечнике не равен нулю, и часть магнитного потока находится за пределами синфазного дросселя. Несвязанный поток имеет три эффекта:

1. Если магнитный поток в сердечнике достаточно силен, сердечник начнет насыщаться. Частичное насыщение уменьшает индуктивность устройства, делая дроссель менее эффективным.

2. Поток, которого нет в сердечнике, является потоком утечки. Для синфазного дросселя поток утечки создает индуктивность дифференциального режима. (Аналогично, для индуктора с дифференциальной модой поток утечки создает синфазную индуктивность.) Эта дифференциальная индуктивность взаимодействует с другими компонентами фильтра, и, хотя она помогает обеспечить дополнительную фильтрацию в дифференциальном режиме, она также создает новые резонансы, которые потенциально могут усилить шум цепи на вновь созданных резонансных частотах.

3. Рассеянные магнитные поля могут подключаться к близлежащим цепям и могут излучаться устройством, содержащим синфазный дроссель. Для приложений, содержащих чувствительные магнитные компоненты, эти рассеянные магнитные поля могут быть проблематичными.

Для получения дополнительной информации о том, как работают синфазные катушки индуктивности, смотрите эту статью на веб-сайте Wurth Electronik.

Емкость переплетения

Каждый виток провода на магнитном сердечнике имеет небольшую емкость по отношению к соседним виткам, а также к проводу и сердечнику. Эта распределенная емкость для синфазных дросселей обычно составляет от 10 до 50 пФ, в зависимости от того, сколько витков провода используется, а также конструкции и физических размеров катушки индуктивности.

Хотя емкость между обмотками распределена по обмоткам катушки индуктивности, сосредоточенная емкость элемента от входной клеммы к выходной клемме обычно является достаточно точной для большинства анализов фильтра.

Емкость между обмотками, наряду с индуктивностью, задает частоту саморезонанса индуктора (SRF), как показано красной линией на графике ниже. На частотах ниже SRF синфазный дроссель ведет себя как катушка индуктивности, причем импеданс увеличивается пропорционально увеличению частоты. Выше SRF дроссель ведет себя как последовательный конденсатор, и импеданс уменьшается пропорционально увеличению частоты.

interwinding-capacitance - Electromagnetic Interference

Второй SRF присутствует в реальных дросселях общего режима. Это вызвано параллельным резонансом индуктивности утечки и емкости взаимной намотки. Этот вторичный резонанс показан на графике выше зеленой линией.

Сопротивление обмотки

Сопротивление обмоток индуктора оказывает незначительное, но важное влияние на производительность фильтра. Сопротивление обмотки выгодно, поскольку оно увеличивает последовательный импеданс катушки индуктивности и обеспечивает некоторое демпфирование фильтра, особенно на высоких частотах. Поскольку катушка индуктивности будет резонировать с емкостью фильтра и емкостными элементами, подключенными к фильтру через кабели или другие цепи, эффект демпфирования сопротивления обмотки является выгодным. Сопротивление обмотки уменьшает амплитуду сигналов, усиливаемых резонансами.

Недостатком сопротивления обмотки является тепловое. Ток, протекающий по проводам, выделяет тепло. Поскольку длина провода, используемого для изготовления индуктора, может достигать нескольких метров, а рассеиваемая мощность сосредоточена на относительно небольшой площади, повышение температуры может быть значительным. Сопротивление обмотки также вызывает падение напряжения между входной и выходной сторонами катушки индуктивности, что может повлиять на работу цепи, если оно будет чрезмерным.

Сопротивление обмоток переменному току имеет важное значение. С увеличением частоты сопротивление обмоток увеличивается из-за скин-эффекта. Например, обмотка индуктивности, имеющая сопротивление 25 Мом при постоянном токе, может иметь сопротивление более 100 Мом при частоте 1 МГц. Увеличение сопротивления при заданном увеличении частоты зависит от толщины провода. По сравнению с сопротивлением постоянному току сопротивление переменному току увеличивается больше для проводов большего диаметра. Способ намотки

Рисунок ниже, любезно предоставленный Wurth Electronik (http://www.we-online.com), показаны два различных способа намотки связанного индуктора. Схематически катушки индуктивности одинаковы, но их высокочастотные характеристики несколько отличаются.

Winding Methods - two-in-hand, bank-wound

Два в руке

Индуктор слева наматывается с использованием метода, называемого “два в руке”. Оба провода намотаны вместе через сердечник. Этот метод обеспечивает очень точно подобранную индуктивность для обоих проводов. Для синфазного дросселя это означает лучший баланс цепи и меньшую индуктивность утечки. Схема “два в одном” также обеспечивает меньшую емкость между обмотками, поскольку расстояние между последовательными витками больше, чем у катушек индуктивности с намоткой в ряд, обсуждаемых ниже.

Намотка связанного индуктора двумя руками обеспечивает превосходную производительность, но при более высокой стоимости, поскольку индуктор необходимо наматывать вручную. Из-за своей изначально более высокой стоимости индукторы типа “два в одном” обычно используются в приложениях, где цена менее важна, чем производительность.

Трехфазные синфазные дроссели также можно намотать таким образом, обернув трехфазные выводы по три в ряд через сердечник в виде тройника.

Банковская рана

Катушка индуктивности справа на рисунке выше намотана в банк. Провода наматываются на равное количество витков с противоположных сторон сердечника. Катушки индуктивности, намотанные в ряд, могут быть изготовлены машинным способом и, следовательно, дешевле, чем катушки индуктивности, намотанные двумя руками.

Электрически катушки индуктивности с намоткой в ряд имеют более высокую индуктивность утечки и более высокую емкость между обмотками, чем катушки индуктивности, намотанные по две в ряд. Однако для многих применений подходят катушки индуктивности с намоткой в банке.

Из-за их более низкой стоимости и механизированного производства катушки индуктивности с накидной обмоткой более доступны. Готовые синфазные катушки индуктивности почти всегда имеют заводную обмотку.