Sélection des selfs en mode commun (inducteurs)

Avant d'introduire les selfs en mode commun, discutons d'abord des selfs en général. Une self est une bobine à faible impédance conçue pour atténuer les courants haute fréquence dans un circuit. Pour améliorer son inductance, les selfs intègrent souvent un noyau en matériau magnétique doux. Une self en mode commun se compose de plusieurs bobines identiques à travers lesquelles les courants circulent dans des directions opposées, entraînant une annulation du champ magnétique à l'intérieur du noyau de la self. Les selfs en mode commun sont souvent utilisées pour supprimer les interférences rayonnées car ces courants d'interférence circulent dans des directions opposées dans les différentes bobines, améliorant ainsi la compatibilité électromagnétique (CEM) du système. Pour de tels courants, l'inductance d'une self en mode commun est très élevée. Un schéma de circuit d'une self en mode commun est montré dans la Figure 1.

Les signaux en mode commun et en mode différentiel sont des termes relatifs. Les signaux en mode commun, également connus sous le nom de bruit en mode commun ou bruit de terre, se réfèrent au bruit sur chaque conducteur par rapport à la terre. Dans le contexte d'un filtre d'entrée pour une alimentation à découpage, cela fait référence aux signaux électriques sur les fils neutre et actif par rapport à la terre. Bien que ni le fil neutre ni le fil actif ne soient directement connectés à la terre, ils peuvent être connectés par le biais de capacités parasites ou de courants parasites sur le circuit imprimé. Les signaux en mode différentiel, en revanche, représentent la différence de signaux entre les deux conducteurs et peuvent également être appelés le différentiel de ligne.

Étant donné deux signaux, V1 et V2 :

Caractéristiques des signaux en mode commun : Signaux de même amplitude et de même phase.

Caractéristiques des signaux en mode différentiel : Signaux de même amplitude mais de phases opposées.

Pour une alimentation à découpage, si le condensateur de stockage et de filtrage après le pont redresseur est idéal (c'est-à-dire avec une résistance série équivalente nulle, en ignorant tous les paramètres parasites du condensateur), toutes les sources de bruit en mode différentiel entrant dans l'alimentation seraient complètement contournées ou découplées par ce condensateur. Cependant, la résistance série équivalente des condensateurs de grande capacité n'est pas nulle. Par conséquent, la résistance série équivalente du condensateur d'entrée constitue le principal composant de l'impédance Zdm telle que vue depuis le générateur de bruit en mode différentiel. En plus de transporter le courant de fonctionnement circulant depuis la ligne d'alimentation, le condensateur d'entrée doit également fournir le courant d'impulsion haute fréquence requis par le transistor de commutation. Quoi qu'il en soit, le courant circulant à travers une résistance génère inévitablement une chute de tension, comme à travers la résistance série équivalente du condensateur. Par conséquent, un ondulation de tension haute fréquence apparaît à travers le condensateur de filtrage d'entrée, provenant des courants en mode différentiel. Cette ondulation est essentiellement une source de tension (causée par la résistance série équivalente). Théoriquement, lorsque le pont redresseur est en conduction, ce bruit d'ondulation haute fréquence ne devrait apparaître que du côté d'entrée du pont redresseur. En réalité, lorsque le pont redresseur est éteint, le bruit s'infiltre à travers la capacité parasite des diodes du pont redresseur.

Il existe divers chemins accessoires pour que les courants à haute fréquence pénètrent dans le châssis. Lorsque le drain du transistor de commutation principal dans une alimentation à découpage subit des transitions de haut en bas, le courant passe par la capacité parasitaire entre le transistor de commutation et le dissipateur thermique (qui est connecté au châssis ou qui est le châssis lui-même). Lorsque le courant alternatif du réseau maintient le pont redresseur en conduction, le bruit injecté dans le châssis rencontre une impédance presque égale, ce qui entraîne des quantités égales circulant dans les fils neutre et sous tension. C'est du bruit en mode commun pur.

Il est connu que les signaux en mode commun ont une amplitude égale et la même phase, provenant généralement du réseau électrique. Ces signaux peuvent interférer avec le fonctionnement normal de la carte de circuit et également rayonner sous forme d'ondes électromagnétiques pour perturber l'environnement environnant.

Puisque les inducteurs sont utilisés pour supprimer les signaux en mode commun, cela doit être lié aux champs magnétiques. Introduisons d'abord la direction du champ magnétique généré par un solénoïde (pour les applications de projet, dans certains scénarios tels que la suppression des signaux en mode commun, des calculs quantitatifs du champ magnétique et du flux magnétique générés par l'inducteur peuvent ne pas être nécessaires. Pour ceux qui sont intéressés, un livre de référence recommandé est "Composants magnétiques dans les alimentations à découpage" par le professeur Zhao Xiuke). La méthode pour déterminer la direction du champ magnétique généré par un solénoïde est de saisir le solénoïde avec votre main droite, avec vos doigts pointant dans la direction du courant, et votre pouce pointera dans la direction du champ magnétique. Ensuite, un terme important est introduit : le flux magnétique. La quantité totale de lignes de champ magnétique passant perpendiculairement à une section est appelée le flux magnétique à travers cette section, abrégé en flux magnétique. Les lignes de champ magnétique sont générées par le solénoïde et existent réellement, bien qu'elles soient invisibles et intangibles. Les lignes de champ magnétique forment une boucle fermée, et pour un solénoïde, elles passent toutes à travers l'intérieur du solénoïde. Les lignes de champ magnétique sont proportionnelles à l'intensité d'induction magnétique B. La figure 3 montre un schéma des lignes de champ magnétique générées par un solénoïde.

Le flux magnétique est noté par F, est une quantité scalaire, et a des unités de webers (Wb). La relation entre le flux magnétique, l'intensité d'induction magnétique B, et la surface de section A est :

F = BA

De cette relation, il ressort que plus il y a de lignes de champ magnétique traversant la section transversale, plus le flux magnétique est grand. Pour une bobine enroulée autour d'un noyau magnétique avec un courant i la traversant, l'inductance L de la bobine peut être exprimée comme :

L = NF / i

où N est le nombre de tours de la bobine.

D'après l'aperçu ci-dessus, on peut comprendre que pour une bobine enroulée autour d'un noyau magnétique avec un nombre constant de tours et un courant, plus il y a de lignes de champ magnétique traversant le noyau magnétique, plus le flux magnétique est grand, et par conséquent, plus l'inductance est grande. La fonction inhérente d'un inducteur est de résister aux variations du courant qui le traverse, ce qui revient essentiellement à résister aux variations de son flux magnétique. C'est le principe de base derrière l'utilisation d'un filtre en mode commun pour supprimer les courants en mode commun.

Les intensités d'induction magnétique générées par les courants en mode commun dans un choke en mode commun sont B1 pour le courant I1 et B2 pour le courant I2. Les deux flèches jaunes dans la Figure 3 représentent les lignes de champ magnétique générées par les courants I1 et I2 dans le noyau en ferrite, respectivement. On peut voir que les lignes de champ magnétique générées par I1 et I2 s'additionnent, tout comme les flux magnétiques, et par conséquent, les inductances s'additionnent. Plus l'inductance est grande, plus la suppression des courants est forte.

En une phrase, la suppression des courants en mode commun par un choke en mode commun peut être expliquée comme suit : Lorsque des courants en mode commun traversent un choke en mode commun, les flux magnétiques dans l'anneau magnétique s'additionnent, ce qui entraîne une inductance significative qui supprime les courants en mode commun.

Lorsque les courants en mode différentiel circulent à travers les deux bobines, les lignes de champ magnétique dans l'anneau magnétique en ferrite sont dans des directions opposées, ce qui entraîne une annulation des flux magnétiques, résultant en presque aucune inductance. Par conséquent, les signaux en mode différentiel peuvent passer avec une atténuation minimale (en tenant compte de la résistance inhérente de l'inducteur). Ainsi, non seulement pour le filtre d'entrée d'une alimentation à découpage, mais aussi lors du routage des lignes de signal différentiel, une self de mode commun peut être ajoutée pour supprimer les courants de mode commun et prévenir des phénomènes tels que le déclenchement intempestif du circuit.

Basé sur les exigences pour le courant nominal, la résistance DC et l'impédance à la fréquence nominale d'un choke en mode commun, la conception peut se dérouler étape par étape comme suit :

La formule pour calculer la valeur d'inductance minimale d'un filtre en mode commun est :

où Xl est la valeur d'impédance à la fréquence f.

La valeur d'inductance d'une self est déterminée en divisant la charge (en Ohms) par la fréquence angulaire ou la fréquence supérieure à laquelle le signal commence à s'atténuer. Par exemple, dans une charge de 50Ω, si le signal commence à s'atténuer à 4000 Hz ou plus, une inductance de 1,99 mH (50 / (2π × 4000)) est requise. La construction correspondante du filtre en mode commun est la suivante :

Lors de la sélection de la bande de fréquence à filtrer, plus l'impédance en mode commun est élevée, mieux c'est. Par conséquent, lors du choix d'un choke en mode commun, il est nécessaire de se référer à la fiche technique de l'appareil, principalement en se basant sur la courbe impédance-fréquence.

Après avoir calculé l'inductance, les étapes de conception suivantes sont similaires à celles de la conception d'un inducteur ordinaire et ne seront pas détaillées ici.

Lorsque vous enroulez votre propre inducteur, notez ce qui suit :

Lors de la sélection du noyau magnétique pour un filtre en mode commun, des facteurs tels que la forme, la taille, la bande de fréquence applicable, l'élévation de température et le prix doivent être pris en compte. Les formes courantes de noyaux magnétiques incluent en U, en E et toroïdal.

Relativement parlant, les noyaux toroïdaux sont moins chers car un seul est nécessaire pour la fabrication. D'autres formes de noyaux doivent venir par paires pour être utilisées dans des filtres en mode commun, et lors du moulage, l'appariement des deux noyaux doit être pris en compte, nécessitant un processus de meulage supplémentaire pour atteindre une perméabilité plus élevée. Cela n'est pas nécessaire pour les noyaux toroïdaux. Comparés à d'autres formes, les noyaux toroïdaux ont une perméabilité effective plus élevée car, peu importe comment ils sont assemblés, il y aura toujours un phénomène d'espace d'air entre les noyaux appariés, entraînant une perméabilité effective inférieure à celle d'un noyau fermé unique. Cependant, le coût d'enroulement des noyaux toroïdaux est plus élevé car d'autres formes de noyaux ont une bobine correspondante qui peut être utilisée pour l'enroulement machine, tandis que les noyaux toroïdaux ne peuvent être enroulés que manuellement ou par machine (à une vitesse inférieure). De plus, le petit diamètre des noyaux toroïdaux rend difficile pour les machines de passer le fil, nécessitant un enroulement manuel, ce qui est chronophage, nécessite beaucoup de main-d'œuvre et entraîne des coûts de traitement élevés et une faible efficacité. L'installation est également peu pratique, et si une base est ajoutée, le coût augmentera. En considérant la performance globale, les noyaux toroïdaux ont de meilleures performances mais aussi un prix plus élevé. En raison des facteurs de coût, les noyaux toroïdaux sont principalement utilisés dans les alimentations électriques haute puissance. Bien sûr, en raison de leur petite taille, ils peuvent également être utilisés dans des alimentations électriques basse puissance où la taille est une préoccupation. Pour les filtres en mode commun dont la fonction principale est de filtrer le bruit à basse fréquence, des noyaux en ferrite manganèse-zinc à haute perméabilité devraient être sélectionnés. Inversement, pour les applications à haute fréquence, des noyaux en ferrite nickel-zinc ou des noyaux en poudre devraient être sélectionnés. Les noyaux magnétiques adaptés aux hautes fréquences ont généralement des espaces d'air distribués, entraînant une perméabilité relativement plus faible ; vous ne pouvez pas avoir les deux. Cependant, contrairement aux inducteurs réguliers, la fonction d'un filtre en mode commun est de créer une grande perte d'insertion pour les signaux de bruit afin de réduire l'interférence du bruit. Bien que la perméabilité effective de la ferrite manganèse-zinc soit très faible à haute fréquence, la perte de noyau augmente avec la fréquence, fournissant une impédance significative au bruit haute fréquence et affaiblissant ainsi l'interférence haute fréquence, bien que cela avec des performances relativement moins bonnes. Néanmoins, des pertes de noyau plus importantes peuvent provoquer un échauffement du noyau, et les noyaux avec des pertes plus faibles sont également plus chers.