Какая индуктивность должна быть на синфазном дросселе

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 i_DM (рис. 1а) компенсируют друг друга, что приводит к нулевому сопротивлению (точнее, импедансу) дросселя. Но магнитные потоки Ф₁ и Ф₂, вызванные синфазными токами i_CM (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 L_DM = 0 и L_CM = L.

Таким образом, подтверждается, что мы не обнаружим наличия импеданса для сигналов дифференциального режима, но будем иметь некоторое, определяемое индуктивностью L_CM 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*

Расчет фильтра синфазной помехи источников питания для схем с ШИМ

При разработке импульсных источников питания (ИВЭП) серьезной задачей становится обеспечение электромагнитной совместимости этих устройств с другой аппаратурой. В силу своего принципа действия, импульсный источник питания является источником разнообразных электромагнитных помех. Уровни таких помех должны удовлетворять требованиям соответствующих стандартов. В данной статье рассмотрен аспект этой проблемы, касающийся кондуктивных помех, которые отдает источник питания в питающую сеть.

Зарубежные стандарты — CISPR22, EN55022 и другие — определяют допустимый уровень помех в полосе частот 150 кГц — 30 МГц для двух классов аппаратуры: Class A — для использования в промышленности, Class B — для использования в быту (более жесткие требования). Основным отечественным стандартом, нормирующим уровни кондуктивных помех для стабилизированных источников питания и методы их измерений, является [1]. Уровням Class A и Class B в [1] соответствуют уровень D и уровень B (таблицу).

Частота

Напряжение радиопомех, дБ (мкВ)

Уровень D (Class A)

Уровень B (Class B)

Методика измерения синфазной помехи в указанной полосе частот согласно [1] сводится, по сути, к измерению падения напряжения на входных зажимах источников питания относительно корпуса на тестовых подгружающих резисторах номиналом 50 Ом (рис. 1). При этом по постоянному напряжению измерительная цепь отвязана от цепей питания конденсатором (0,25 мкФ для уровней потребляемого тока до 25 А либо 0,1 мкФ для уровня свыше 25 А), а влияние импеданса питающей цепи на измеряемые характеристики в области интересующих частот исключается при помощи так называемого эквивалента сети. Применение эквивалента сети также ослабляет возможное влияние помех от самой питающей сети.

Рис. 1. Схема измерения синфазной помехи

Измерения производят при помощи измерителя радиопомех, имеющего входное сопротивление 50 Ом, поочередно для каждого из питающих выводов. Одно из показанных на рис. 1 сопротивлений 50 Ом отображает в этом случае входное сопротивление измерителя, а другое является подгрузочным. Переключения измерителя и подгрузочного резистора производятся с помощью коммутирующих цепей, не показанных для простоты на рисунке.

Испытания на электромагнитную совместимость, в том числе кондуктивных помех, производятся на сертифицированном оборудовании и требуют определенных финансовых затрат. Поэтому еще на этапе разработки источника питания необходимо учитывать основные факторы, влияющие на результаты подобных испытаний. Одним из основных источников синфазных помех в источниках питания в полосе частот 150 кГц — 30 МГц являются процессы, связанные с самим принципом действия источников питания с ШИМ, а именно наличие тактовой частоты преобразования и ее высших гармоник в измеряемом сигнале. Другим заметным фактором могут быть коммутационные процессы, происходящие в ключевых элементах источников питания, — они могут проявиться в области высоких частот диапазона. Цель настоящей статьи — показать возможность расчета уровней синфазной помехи для основной гармоники и ряда высших гармоник источника питания с ШИМ (то есть с постоянной частотой), для того чтобы учесть как минимум первый указанный фактор при проектировании фильтра синфазной помехи источника питания.

Практическая методика измерения синфазной помехи

Специальное, особенно сертифицированное оборудование для измерения синфазной помехи не всегда доступно инженеру при исследовании макетов источников питания на этапе разработки. Однако для приблизительной оценки уровней помех в области относительно низких частот можно использовать более доступные средства — например, цифровой осциллограф. Идея состоит в том, чтобы оцифровать осциллограммы напряжения на тестовых резисторах, являющиеся периодическими сигналами, а затем рассчитать их гармонический состав посредством преобразования Фурье.

На рис. 2 показаны осциллограммы напряжения U_изм1 и U_изм2 относительно заземления (согласно рис. 1) для блока RCA300.10240A [2] при следующих параметрах: V_in = 60 V, V_o = 24 V, I_o = 1,25 A. Данный блок питается от сети постоянного напряжения, но имеет в своем составе фильтр синфазной помехи. Там же показан спектральный состав измеренных сигналов, рассчитанный с помощью преобразования Фурье до частоты, равной половине от частоты дискретизации оцифрованного сигнала (в данном случае до 12,5 МГц).

Рис. 2. Осциллограммы и спектральный состав синфазной помехи блока RCA300.10240A

На рис. 2 черным цветом показана ограничительная кривая по Class A, а синим цветом — по Class B. Как видно из рисунка, наиболее критичный диапазон с точки зрения удовлетворения требованиям стандарта — первые пять гармоник частоты преобразования (однако первая гармоника, чуть выше 100 кГц, не попадает еще в интересующий нас диапазон частот). Следует отметить, что различие в осциллограммах и спектрах сигналов, снятых на разных выводах блока, связано с отсутствием фильтра дифференциальной помехи в его составе, так что сигнал дифференциальной помехи в первом случае (осциллограмма слева) вычитается из сигнала синфазной помехи, а во втором случае (справа) складывается с ним. Тем не менее и в том, и в другом случае блок не удовлетворяет требованиям по Class B, но «проходит» по Class A.

Определение источников синфазной помехи

Учет дифференциальной составляющей

При отсутствии специального фильтра дифференциальной помехи в источнике питания, ее доля в синфазной составляющей, отдаваемой в сеть, может быть весьма существенной (пример см. выше). Источником помехи можно считать напряжение U_диф — напряжение на входе источника питания (после фильтра). Здесь L1, C1, C2 составляют стандартную схему фильтра синфазной помехи. При этом дифференциальная составляющая без помех проходит через дроссель синфазного фильтра и выделяется с соответствующим знаком на делителе напряжения, образованном тестовыми резисторами (рис. 3). Разделительные конденсаторы не показаны, так как их импедансом в рассматриваемой полосе частот можно пренебречь. Напряжение U_диф может быть достаточно хорошо определено исходя из анализа электрических процессов в преобразователе, в частности в качестве U_диф может быть принята высокочастотная пульсация на входном конденсаторе, входящем в составе источника питания. Как можно видеть, дифференциальная составляющая совершенно не подавляется синфазным фильтром и может присутствовать в измеряемом сигнале в результате применения методики измерения из [1]. Хороший метод исключения этой составляющей из сигнала помехи — применение дополнительного фильтра дифференциальной помехи (в простейшем случае LC-фильтра).

Рис. 3. Дифференциальная составляющая помехи

Учет синфазной составляющей

Однако основной составляющей помехи относительно заземления (особенно при хорошем фильтре дифференциальной помехи) служит именно синфазная помеха — то есть помеха, одинаковая для обоих входных выводов источника питания в заданном частотном диапазоне. Для данного случая справедлива схема замещения, показанная на рис. 4.

Рис. 4. Синфазная составляющая помехи

Сигнал помехи U_синф выделяется на Y-кон-денсаторах фильтра (для данной схемы замещения они оказываются включенными параллельно), в результате деления напряжения некого эффективного источника помехи U_ef емкостным делителем с коэффициентом передачи (1), верхнее плечо которого образует эффективная емкость С_ef .

Чем больше суммарная емкость Y-конден-саторов C_y по сравнению с C_ef , тем меньше напряжение помехи. Отметим, что ограничения на увеличение емкости Y-конденсаторов накладывают стандарты безопасности, нормирующие максимально допустимый ток утечки. Далее сигнал помехи фильтруется LR-фильт-ром с коэффициентом передачи (2), составленным из индуктивности синфазного дросселя L1 и тестовых сопротивлений R, соединенных параллельно, согласно схеме замещения (рис. 4).

Задача определения U_эф и C_эф в общем случае нетривиальна. Ее решение будет зависеть от примененных схемы источника питания, компонентов, конструкции и технологии. В простейшем случае C_эф определяется межобмоточной емкостью силового трансформатора, а U_эф — напряжением, приложенным между его обмотками. Очевидно, что чем больше индуктивность дросселя L1, тем сильнее подавляется синфазная помеха.

Примеры расчета

Расчет в одной точке

В качестве первого примера рассмотрим расчет уровня синфазной помехи для преобразователя, экспериментальные характеристики которого были показаны на рис. 2. В данном случае ставится скорее задача анализа — для проверки методики и сравнения с экспериментальными результатами.

В этом случае сначала была рассчитана синфазная составляющая сигнала помехи U_синф (рис. 4), являвшаяся для данного режима прямоугольными импульсами напряжения с размахом (от пика до пика) dU1 (3), где V_in , V_o — входное и выходное напряжения преобразователя, w1, w2 — числа витков в первичной и вторичной обмотках силового трансформатора. Преобразователь — обратноходовый, работающий при данном V_in в режиме непрерывного тока и скважностью G = t_и/T.

Затем сигнал U_синф раскладывался на гармоники с помощью процедуры быстрого преобразования Фурье и умножался на коэффициент передачи фильтра K_s (2). После этого полученный сигнал восстанавливался во временной области с помощью обратного быстрого преобразования Фурье. Таким образом была получена синфазная составляющая в измеряемом сигнале.

После этого к полученному сигналу была прибавлена с соответствующим знаком дифференциальная составляющая (рис. 3), определенная как произведение тока во входном конденсаторе преобразователя на его ESR (эквивалентное последовательное сопротивление). Дифференциальная составляющая в этом случае определялась по (4), где I₀ — начальное значение тока первичного ключа преобразователя, L — индуктивность намагничивания. Отметим, что начальное значение тока I₀ в данном случае было близко к нулю, то есть блок был близок к граничному режиму. Также следует отметить: сложение сигналов на тестовых резисторах производилось без учета их постоянных составляющих, что позволило существенно упростить расчеты во временной области. В результате были получены идеализированные эпюры напряжений на измерительных резисторах (рис. 5), которые можно сравнить с экспериментальными осциллограммами (рис. 2):при 0 < t < GT,

Рис. 5. Идеализированные эпюры напряжений на измерительных резисторах

Спектральный состав (до 7-й гармоники) этих временных характеристик представлен на рис. 6. Несмотря на некоторые отличия от характеристик, вычисленных по экспериментальным данным, можно утверждать, что в первом приближении расчет дает правильные результаты.

Рис. 6. Спектральный состав напряжений на измерительных резисторах

В заключение приведем значения всех параметров, использовавшихся при расчетах данного примера:

• V_in = 60 В — входное напряжение преобразователя;
• V_o = 24 В — выходное напряжение преобразователя;
• I_o = 1,25 А — выходной ток преобразователя;
• w1 = 60, w2 = 27 — витки силового трансформатора;
• T = 10 мкс — период коммутации;
• G = 0,48 — коэффициент заполнения (скважность);
• C_ef = 62 пФ — межобмоточная емкость силового трансформатора;
• C_y = 4,4 нФ — суммарная емкость Y-конденсаторов;
• L_s = 3,8 мГн — индуктивность синфазного дросселя;
• L = 40 нГн — индуктивность намагничивания силового трансформатора, приведенного к единичному витку;
• ESR = 20 мОм — эквивалентное последовательное сопротивление входного конденсатора;
• I0 = 0,06 А — значение тока первичного ключа преобразователя при t = 0;
• R = 50 Ом — номинал тестового резистора.

Расчет при вариации параметров

Расчет в одной точке не всегда удовлетворяет разработчика, так как параметры преобразователя (например, входное напряжение) могут меняться. На основе знания о характере влияния тех или иных параметров разработчик может сделать окончательный выбор параметров фильтра синфазной помехи.

Для примера рассмотрим, как будут меняться гармонический состав дифференциальной и синфазной составляющих помехи, измеряемой на тестовом резисторе, в зависимости от питающего напряжения источника питания. Данный пример касается серии источников питания, рассчитанных на расширенный диапазон входного напряжения (85–342 V_dc) и выходную мощность 30 Вт. Для этой серии источников питания был сделан расчет зависимости амплитуд первых пяти гармоник, измеряемых на тестовом резисторе (рис. 1), от входного напряжения преобразователя. На рис. 7 показаны результаты этого расчета для наихудшего случая в ряду выходных напряжений (V_o = 5 В).

Рис. 7. Дифференциальная (слева) и синфазная (справа) составляющие помехи для первых пяти гармоник

Из рисунка видно, что в части дифференциальной составляющей блок не может удовлетворять требованиям ГОСТ [1] и необходимо введение фильтра дифференциальной помехи. В части синфазной помехи при использовании синфазного дросселя номиналом 8,2 мГн блоки попадают в Class A (промышленное применение). Выход из группы Class B происходит на второй гармонике при V_in > 200 В. Увеличение индуктивности синфазного дросселя на 20% позволит согласно расчету удовлетворить требованиям Class В (бытовое применение).

Заключение

Для схем с ШИМ достаточно просто, еще на этапе проектирования источника питания, оценить с помощью предложенной методики — удовлетворяет ли выбранный фильтр синфазной помехи заданному классу по электромагнитной совместимости в части кондуктивных электромагнитных помех. Рассмотренная методика излагалась для простоты на примере питания источника питания от источника постоянного напряжения, однако ее можно распространить и на синусоидальный питающий источник, исходя из конкретных условий применения. Например, можно было бы учесть влияние высших гармоник выпрямленного питающего напряжения на состав сигнала помехи (для случая относительно высокой частоты питающей сети и относительно низкой частоты преобразователя) либо оценить интервалы, в которые происходит передача помех в питающую сеть (например, для мостового выпрямителя). Однако в любом случае данный вопрос выходит за рамки статьи.