Выбор дросселей общего режима (индуктивностей)

Перед тем как представить общие режимные дроссели, давайте сначала обсудим дроссели в общем. Дроссель — это катушка с низким сопротивлением, предназначенная для ослабления высокочастотных токов в цепи. Чтобы увеличить его индуктивность, дроссели часто включают сердечник из мягкого магнитного материала. Общий режимный дроссель состоит из нескольких идентичных катушек, через которые токи текут в противоположных направлениях, что приводит к компенсации магнитного поля внутри сердечника дросселя. Общие режимные дроссели часто используются для подавления радиопомех, поскольку такие помеховые токи текут в противоположных направлениях в разных катушках, тем самым улучшая электромагнитную совместимость системы (EMC). Для таких токов индуктивность общего режимного дросселя очень высока. Схема цепи общего режимного дросселя показана на рисунке 1.

Сигналы общего режима и дифференциального режима являются относительными терминами. Сигналы общего режима, также известные как шум общего режима или шум земли, относятся к шуму на каждом проводнике относительно земли. В контексте входного фильтра для импульсного источника питания это относится к электрическим сигналам на нейтральном и фазном проводах относительно заземления. Хотя ни нейтральный, ни фазный провод напрямую не соединены с землей, они могут быть соединены через паразитные или блуждающие емкости или паразитные индуктивности на печатной плате. Сигналы дифференциального режима, с другой стороны, представляют собой разницу в сигналах между двумя проводниками и также могут называться линейной дифференциальной.

Учитывая два сигнала, V1 и V2:

Характеристики сигналов общего режима: Сигналы одинаковой амплитуды и одной фазы.

Характеристики дифференциальных сигналов: Сигналы одинаковой амплитуды, но противоположной фазы.

Для импульсного источника питания, если емкость хранения и фильтрации после выпрямительного моста идеальна (т.е. с нулевым эквивалентным последовательным сопротивлением, игнорируя все паразитные параметры конденсатора), все возможные источники дифференциального шума, попадающие в источник питания, будут полностью обойдены или декуплированы этим конденсатором. Однако эквивалентное последовательное сопротивление конденсаторов большой емкости не равно нулю. Поэтому эквивалентное последовательное сопротивление входного конденсатора составляет основной компонент импеданса Zdm, как видно от генератора дифференциального шума. В дополнение к переносу рабочего тока, протекающего по силовой линии, входной конденсатор также должен обеспечивать высокочастотный импульсный ток, необходимый для переключающего транзистора. В любом случае, ток, проходящий через резистор, неизбежно вызывает падение напряжения, например, через эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора. В результате высокочастотная волновая пульсация появляется на входном фильтрующем конденсаторе, исходя из дифференциальных токов. Эта пульсация по сути является источником напряжения (вызванным эквивалентным последовательным сопротивлением). Теоретически, когда выпрямительный мост проводит, этот высокочастотный шум пульсации должен появляться только на входной стороне выпрямительного моста. На практике, когда выпрямительный мост отключен, шум просачивается через паразитную емкость диодов выпрямительного моста.

Существуют различные случайные пути для протекания высокочастотных токов в шасси. Когда сток основного переключающего транзистора в источнике питания с переключением проходит переходы от высокого к низкому, ток протекает через паразитную емкость между переключающим транзистором и радиатором (который подключен к шасси или является самим шасси). Когда ток переменного тока поддерживает выпрямительный мост в проводящем состоянии, шум, вводимый в шасси, сталкивается с почти равным импедансом, в результате чего равные количества протекают в нейтральные и фазные провода. Это чистый общий режим шума.

Известно, что сигналы общего режима имеют одинаковую амплитуду и одинаковую фазу, обычно исходя из электросети. Эти сигналы могут мешать нормальной работе печатной платы и также излучать электромагнитные волны, чтобы нарушать окружающую среду.

Поскольку индуктивности используются для подавления общих режимов сигналов, это должно быть связано с магнитными полями. Сначала давайте введем направление магнитного поля, создаваемого соленоидом (для проектных приложений в некоторых сценариях, таких как подавление общих режимов сигналов, количественные расчеты магнитного поля и магнитного потока, создаваемого индуктивностью, могут не быть необходимыми. Для заинтересованных лиц рекомендованная справочная книга - "Магнитные компоненты в источниках питания с переключением" профессора Чжао Сюке). Метод определения направления магнитного поля, создаваемого соленоидом, заключается в том, чтобы схватить соленоид правой рукой, при этом пальцы указывают в направлении тока, а большой палец будет указывать в направлении магнитного поля. Далее вводится важный термин: магнитный поток. Общее количество магнитных линий, проходящих перпендикулярно через сечение, называется магнитным потоком через это сечение, сокращенно - магнитный поток. Магнитные линии поля создаются соленоидом и фактически существуют, хотя они невидимы и неосязаемы. Магнитные линии поля образуют замкнутый контур, и для соленоида они все проходят через внутреннюю часть соленоида. Магнитные линии поля пропорциональны интенсивности магнитной индукции B. Рисунок 3 показывает схематическую диаграмму магнитных линий, создаваемых соленоидом.

Магнитный поток обозначается буквой F, является скалярной величиной и имеет единицы измерения веберы (Wb). Связь между магнитным потоком, магнитной индукцией B и площадью поперечного сечения A следующая:

F = BA

Из этого соотношения видно, что чем больше магнитных линий поля проходит через поперечное сечение, тем больше магнитный поток. Для катушки, намотанной на магнитное ядро с протекающим через нее током i, индуктивность L катушки можно выразить как:

L = NF / i

где N - это количество витков катушки.

Из вышеизложенного обзора можно понять, что для катушки, намотанной на магнитное ядро с постоянным числом витков и током, чем больше магнитных линий, проходящих через магнитное ядро, тем больше магнитный поток, а следовательно, тем больше индуктивность. Внутренняя функция индуктора заключается в том, чтобы сопротивляться изменениям тока, протекающего через него, что по сути означает сопротивление изменениям его магнитного потока. Это основной принцип использования дросселя общего режима для подавления токов общего режима.

Интенсивности магнитной индукции, создаваемые токами общего режима в дросселе общего режима, составляют B1 для тока I1 и B2 для тока I2. Две желтые стрелки на рисунке 3 представляют собой линии магнитного поля, создаваемые токами I1 и I2 в ферритовом сердечнике соответственно. Можно увидеть, что линии магнитного поля, создаваемые I1 и I2, складываются, как и магнитные потоки, и, следовательно, индуктивности складываются. Чем больше индуктивность, тем сильнее подавление токов.

В одном предложении подавление общих режимных токов с помощью дросселя общего режима можно объяснить следующим образом: Когда общие режимные токи проходят через дроссель общего режима, магнитные потоки в магнитном кольце складываются, что приводит к значительной индуктивности, подавляющей общие режимные токи.

Когда токи дифференциального режима проходят через две катушки, магнитные линии поля в ферритовом магнитном кольце направлены в противоположные стороны, что приводит к взаимному уничтожению магнитных потоков, в результате чего индуктивность практически отсутствует. Поэтому сигналы дифференциального режима могут проходить с минимальным ослаблением (учитывая внутреннее сопротивление индуктора). Таким образом, не только для входного фильтра импульсного источника питания, но и при прокладке линий дифференциального сигнала можно добавить дроссель общего режима, чтобы подавить токи общего режима и предотвратить такие явления, как ложное срабатывание схемы.

На основе требований к номинальному току, постоянному сопротивлению и импедансу при номинальной частоте общего режима, проектирование может осуществляться поэтапно следующим образом:

Формула для расчета минимального значения индуктивности общего режима составляет:

где Xl - это значение импеданса на частоте f.

Значение индуктивности дросселя определяется делением нагрузки (в Омах) на угловую частоту или более высокую частоту, при которой сигнал начинает ослабляться. Например, при нагрузке 50Ω, если сигнал начинает ослабляться на частоте 4000 Гц или выше, требуется индуктивность 1.99 мГн (50 / (2π × 4000)). Соответствующая конструкция фильтра общего режима следующая:

При выборе частотного диапазона для фильтрации, чем выше общее сопротивление, тем лучше. Поэтому при выборе общего-mode дросселя необходимо обратиться к техническому паспорту устройства, в первую очередь основываясь на кривой импеданса-частоты.

После расчета индуктивности последующие этапы проектирования аналогичны этапам проектирования обычного индуктора и не будут подробно рассмотрены здесь.

При намотке собственного индуктора обратите внимание на следующее:

При выборе магнитного сердечника для дросселя общего режима следует учитывать такие факторы, как форма, размер, применимый частотный диапазон, повышение температуры и цена. Общие формы магнитных сердечников включают U-образные, E-образные и тороидальные.

Относительно говоря, тороидальные сердечники дешевле, потому что для их изготовления нужен только один. Другие формы сердечников должны идти парами для использования в общих-mode дросселях, и во время формовки необходимо учитывать пару из двух сердечников, что требует дополнительного процесса шлифовки для достижения более высокой проницаемости. Это не требуется для тороидальных сердечников. По сравнению с другими формами, тороидальные сердечники имеют более высокую эффективную проницаемость, потому что, независимо от того, как они собраны, всегда будет явление воздушного зазора между парными сердечниками, что приводит к более низкой эффективной проницаемости, чем у одного закрытого сердечника. Однако стоимость намотки тороидальных сердечников выше, потому что другие формы сердечников имеют соответствующую катушку, которая может использоваться для машинной намотки, в то время как тороидальные сердечники могут быть намотаны только вручную или машиной (на более низкой скорости). Более того, малый диаметр тороидальных сердечников затрудняет машинам продевание провода, что требует ручной намотки, что занимает много времени, требует много труда и приводит к высоким затратам на обработку и низкой эффективности. Установка также неудобна, и если добавить основание, стоимость увеличится. Учитывая общую производительность, тороидальные сердечники имеют лучшую производительность, но также и более высокую цену. Из-за факторов стоимости тороидальные сердечники в основном используются в источниках питания высокой мощности. Конечно, из-за их небольшого размера они также могут использоваться в источниках питания низкой мощности, где размер имеет значение. Для общих-mode дросселей, основной функцией которых является фильтрация низкочастотного шума, следует выбирать сердечники из марганцево-цинкового феррита с высокой проницаемостью. Напротив, для высокочастотных приложений следует выбирать сердечники из никель-цинкового феррита или порошковые сердечники. Магнитные сердечники, подходящие для высоких частот, обычно имеют распределенные воздушные зазоры, что приводит к относительно более низкой проницаемости; вы не можете иметь и то, и другое. Однако, в отличие от обычных индуктивностей, функция общего-mode дросселя заключается в создании большого вставочного потерь для шумовых сигналов, чтобы уменьшить шумовое вмешательство. Хотя эффективная проницаемость марганцево-цинкового феррита очень мала на высоких частотах, потери в сердечнике увеличиваются с частотой, обеспечивая значительное сопротивление высокочастотному шуму и тем самым ослабляя высокочастотное вмешательство, хотя с относительно худшей производительностью. Тем не менее, большие потери в сердечнике могут привести к его нагреву, а сердечники с меньшими потерями также более дороги.