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):

k = M√(L₁×L₂),                      (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):

L_DM = 2×(L–M) и L_CM = (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 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*