Фильтр синфазный что это
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.
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.
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.
Синфазные дроссели компании Sumida для поверхностного монтажа
Для снижения уровня нежелательного ЭМИ и улучшения помехоустойчивости требуется использование эффективных технологий фильтрации шума. Применение синфазных дросселей производства компании Sumida позволяет обеспечить должный уровень электромагнитной совместимости и повысить надежность работы электронных приборов.
Компания Sumida (http://www.sumida.com/) была основана в 1956 году. Производство катушек индуктивности онa освоила в 1965. В настоящее время корпорация Sumida имеет подразделения и производства в различных странах Азии, Европы и Америки (Китай, Таиланд, Тайвань, Вьетнам, Германия, Румыния, Словения, Мексика). Компания производит электронные компоненты и модули, в которых используется индукционная технология (индуктивности, дроссели, трансформаторы, соленоиды, катушки зажигания). Эти компоненты и модули предназначены для применения в различных секторах: автомобильной и бытовой электронике, энергетике, медицинской технике. Для силовой электроники выпускаются синфазные и силовые дроссели и трансформаторы, ЭМИ-фильтры, ВЧ-трансформаторы. Для автомобильного сектора компания производит катушки инжекторов и соленоиды для ABS, антенны для беспроводных систем доступа, индукционные датчики, модули поджига ксенонового автосвета, элементы противоугонных автомобильных систем, модули управления приводом руля, а также гибкие и плоские кабели для автомобильных систем.
Для решения проблем обеспечения электромагнитной совместимости (EMC) компания производит широкую номенклатуру синфазных дросселей. Компактные синфазные дроссели, выпускаемые компанией, предназначены для поверхностного монтажа. Продукция ориентирована на применение в электронной аппаратуре (компьютерах, мобильных устройствах, бытовой электронике). Дроссели отличает высокое качество, эффективность подавления ЭМИ и доступная цена.
Синфазные дроссели являются одним из эффективных компонентов для создания ЭМИ-фильтров. Они широко применяются для фильтрации помех в сигнальных цепях и цепях питания переменного и постоянного тока. Типовое применение синфазных дросселей — фильтрация помех в высокоскоростных цепях и интерфейсах, например в интерфейсах HDMI. Особая область – цепи CAN-интерфейса в автомобильных системах управления.
Классификация электромагнитных помех
Электромагнитные помехи распространяются как по проводам (кондуктивные помехи), так и через окружающее пространство (излучаемые помехи). Кондуктивные помехи можно разделить на две составляющие: синфазные (common-mode) и дифференциальные (differential-mode или normal-mode).
Дифференциальные помехи проходят по линиям электропитания и не связаны с заземлением. Они измеряются между двумя проводами линии. Синфазные помехи измеряются между одним из проводов и землей. Синфазные помехи можно описать как помехи между проводом и землей, дифференциальные — как помехи между двумя проводами, ток в которых течет в противоположных направлениях. С последним типом помех достаточно успешно борется дроссель в паре с конденсатором.
Конструкция и принцип работы синфазного дросселя
Синфазный дроссель состоит из двух катушек, намотанных на общий сердечник. В качестве сердечника используется, как правило, кольцевой магнитопровод с высокой магнитной проницаемостью, например феррит. Когда через катушки протекают дифференциальные токи, магнитные поля, индуцированные этими токами, взаимно уничтожают друг друга. Если пренебречь омическим сопротивлением катушек, то их входной импеданс в этом случае будет равен нулю. Теоретически они не влияют на прохождение дифференциальных сигналов. В случае появления синфазных токов магнитные потоки обоих катушек складываются, и входной импеданс увеличивается, что приводит к подавлению синфазных токов и значительному снижению амплитуды шумового сигнала. На рисунке 1 показана структура и принцип работы синфазного дросселя.
Рис. 1. Структура и принцип работы синфазного дросселя
Синфазные дроссели для дифференциального сигнала работают как простой проводник, а для синфазного тока (шума) – как индуктивность. Таким образом, применение синфазного дросселя обеспечивает большой импеданс для синфазного тока и большую эффективность подавления синфазных шумов по сравнению с обычными индуктивностями. Даже если частоты полезного сигнала и шума пересекаются, использование дифференциального режима позволяет подавлять только шум. Даже при большом уровне дифференциальных сигналов сердечник дросселя не насыщается, а характеристики дросселя не ухудшаются. Синфазные дроссели подходят для подавления шумов там, где искажение формы сигнала может вызвать проблемы, например, в линиях передачи видеосигнала.
Области применения синфазных дросселей
Синфазные дроссели с успехом применяются для подавления синфазных помех как в силовых, так и в сигнальных цепях электронной аппаратуры:
Компактные синфазные дроссели для поверхностного монтажа активно используются для подавления синфазных шумов в высокоскоростных дифференциальных линиях интерфейсов CAN, USB, IEEE1394, LVDS, DVI, HDMI.
Базовые параметры синфазных дросселей
Рис. 2. Электрическая схема синфазного дросселя
Типовая электрическая схема синфазного дросселя показана на рисунке 2.
В синхронном дросселе параметры обеих обмоток абсолютно идентичны, а сами катушки намотаны абсолютно симметрично на сердечнике, чтобы обеспечить идеальность характеристик.
К базовым параметрам синфазных дросселей относятся:
В таблицах параметров приводятся, как правило, два значения импеданса – типовое и минимальное. Для некоторых типов дросселей вместо импеданса приводится номинальное значение индуктивности дросселя. В этом случае для некоторых серий дросселей приводятся значения допустимого отклонения индуктивности от номинального значения. В отдельных случаях указывается прочность изоляции между обмотками, которая выражается в значении тестового напряжения, при котором сохраняется высокое сопротивление и не будет паразитных токовых утечек.
Синфазные дроссели Sumida для цепей постоянного тока
Основными источниками шума в современной электронной аппаратуре является, как правило, импульсный источник питания. Для уменьшения уровня помех (кондуктивных и излучаемых) в цепях питания используются синфазные дроссели. Именно они могут обеспечить высокий уровень эффективности подавления ЭМИ. В номенклатуре компании Sumida представлен ряд серий синфазных дросселей, предназначенных для поверхностного монтажа и фильтрации цепей постоянного тока. При малых габаритах синфазные дроссели Sumida способны работать в цепях постоянного тока до 6 А.
Все рассматриваемые ниже серии дросселей имеют широкий рабочий температурный диапазон до 125°С и могут быть использованы в том числе для автомобильной электроники. В таблице 1 приведены базовые характеристики серий синфазных дросселей, предназначенных для фильтрации помех в цепях постоянного тока. Характерной особенностью дросселей этого типа является высокий допустимый ток и малое сопротивление обмоток на постоянном токе.
Таблица 1. Основные характеристики синфазных дросселей, предназначенных для ЭМИ-фильтрации цепей постоянного тока
| Наименование | Размеры, ШxДxВ, мм | Импеданс на 100 МГц, Ом, тип./мин. | DCR при 20°С, мОм | Макс. ток, А | Особенности применения |
| CPFC43NP100M801 | 5.3х6.1х3.7 | 800/400 | 21 | 2 | Цепи интерфейсов CAN, аудио-, видео |
| CPFC74BNP-851 | 7.5×7.5×5.3 | 850/510 | 16 | 3.5 | |
| CPFC74BNP-102 | 7.5×7.5×5.3 | 1000/600 | 20 | 2.5 | |
| CPFC94 | 7.5×7.5×5.3 | 700 | 10 | 5 | ЭМИ-фильтр в цепях питания светодиодных автоламп |
| CPFC11D60-100M08 | 11.7×12.8×6.5 | 800 | 8 | 6 | Цепи питания ЖК-телевизоров и компьютеров |
| CPFC5D33-300 | 5.5×6.2×3.5 | 225 | 25 | 2.5 | |
| CPFC6D36-100M06 | 6.2×5.3×3.8 | 600 | 20 | 2.5 | |
| CPFC805NP-100M05 | 7.9×7.8×4.8 | 500 | 15 | 4.5 | |
| CSLF4D17NP-212 | 5.5×5.0×1.9 | 2100/1050 | 70 ±40% | 0.9 | Портативная аппаратура с напряжением питания до 50 В, автомобильные GPS-навигаторы |
| CSLF4D17NP-122 | 5.5×5.0×1.9 | 1200/600 | 60 ±40% | 0.95 | |
| CSLF4D17NP-781 | 5.5×5.0×1.9 | 780/390 | 50 ±40% | 1 | |
| CSLF4D17NP-391 | 5.5×5.0×1.9 | 390/190 | 40 ±40% | 1.2 | |
| CSLF4D25NP-201 | 5.0×5.4×2.5 | 200/100 | 13 ±40% | 3.5 | |
| CSLF4D25NP-351 | 5.0×5.4×2.5 | 350/175 | 17 ±40% | 3 | |
| CSLF4D25NP-701 | 5.0×5.4×2.5 | 700/350 | 22 ±40% | 2.5 | |
| CSLF4D25NP-112 | 5.0×5.4×2.5 | 1100/550 | 28 ±40% | 2 | |
| CSLF4D25NP-192 | 5.0×5.4×2.5 | 1900/950 | 40 ±40% | 1.5 | |
| CSLF4D25NP-202 | 5.0×5.4×2.5 | 2000/1000 | 54 ±40% | 1 |
Ниже на рисунках 3…7 приведены конструкция, внешний вид и частотные характеристики отдельных серий синфазных дросселей.
Рис. 3. Внешний вид синфазного дросселя серии CPFC43
Рис. 4. Типовые частотные характеристики для дросселей серии CPFC43
Рис. 5. Внешний вид синфазного дросселя серии CPFC74B
Рис. 6. Типовые частотные характеристики для дросселей серии CPFC74B
Рис. 7. Внешний вид синфазного дросселя серии CSLF4D17
На графиках, изображенных на рисунке 4, указаны две характеристики импеданса по отношению к двум режимам работы дросселя – синфазному (Common Mode) и дифференциальному (Normal Mode). Заметим, что частотные характеристики импеданса для обоих режимов очень сильно отличаются.
Особенностью дросселя CSLF4D17 (рисунок 7) является сверхнизкий профиль – всего 1.9 мм.
Синфазные дроссели Sumida для сигнальных цепей
Рис. 8. Электрическая схема четырехлинейного синфазного дросселя серии CSLF1205
Синфазные дроссели для поверхностного монтажа в основном ориентированы на применение в портативной аппаратуре, в цепях CAN-интерфейсов автомобильных систем, в сигнальных цепях xDSL-модемов, а также в качестве ЭМИ-фильтров в любой электронной аппаратуре. Кроме того, дроссели могут применяться и в качестве ЭМИ-фильтров, и в цепях питания. Например, серия дросселей CPFC85 допускает работу с токами до 5.65 А, хотя основным назначением серии является фильтрация в сигнальных цепях. Компания Sumida выпускает широкую номенклатуру компактных синфазных дросселей для поверхностного монтажа. В последнее время в номенклатуре сигнальных синхронных дросселей появились и многоканальные (двух- и четырехлинейные) синхронные дроссели в одном микрокорпусе. На рисунке 8 приведена электрическая схема четырехлинейного синфазного дросселя серии CSLF1205 производства компании Sumida, предназначенного для фильтрации сигналов, например, в дифференциальных LVDS-интерфейсах.
В рамках данной статьи рассматриваются только серии одноканальных синфазных дросселей для поверхностного монтажа, предназначенных для фильтрации сигнальных цепей в электронной аппаратуре широкого профиля. В таблице 2 приведены базовые параметры синфазных дросселей производства компании Sumida для фильтрации шумов в сигнальных цепях.
Таблица 2. Синфазные smd-дроссели Sumida для сигнальных цепей
| Наименование | Размеры, ШxДxВ, мм | Импеданс на 100 МГц, Ом, мин. | DCR при 20°С, мОм, | Макс. ток, А | Особенности применения |
| Серия CRR32 | |||||
| CRR32NP-02A | 3.4х4.7х2.8 | 800 | 500 | 0.4 | Цифровая аудио- и видеотехника, камеры, фотокамеры, сигнальные и силовые цепи |
| CRR32NP-05A | 650 | 300 | 0.46 | ||
| CRR32NP-07A | 500 | 200 | 0.58 | ||
| CRR32NP-10A | 350 | 200 | 0.8 | ||
| Серия CPFC74 | |||||
| CPFC74NC-CB10M4 | 9.5×5.7×5.08 | 1000 | 300 | 0.5 | Для сигнальных цепей CAN-интерфейса; электрическая прочность изоляции между обмотками 200 В (5 с) |
| CPFC74NC-CB08M6 | 800 | 250 | 0.5 | ||
| CPFC74NC-PS10H2A15 | 700 | 120 | 1.5 | Для фильтрации цепей питания;электрическая прочность изоляции между обмотками 125 В (5 с) | |
| CPFC74NC-PS02H2A20 | 200 | 120 | 2 | ||
| CPFC74NC-PS03H2A25 | 300 | 120 | 2.5 | ||
| CPFC74NC-PS01H2A30 | 100 | 60 | 3 | ||
| Серия CPFC85 | |||||
| CPFC85NP-100M10 | 9.3×8.2×5.5 | 1000 | 20 | 4 | ЭМИ-фильтр для широкого класса аппаратуры |
| CPFC85NP-100M03 | 300 | 20 | 5.65 | ||
| Серия CPFCD55/MS | |||||
| CPFCD55-471 | 9.3×9.0×6.0 | 0.2 | 130 | 1.6 | Телеком, xDSL-модемы |
| CPFCD55-472 | 2 | 1000 | 0.4 | ||
| CPFCD55-902 | 4 | 1600 | 0.3 | ||
Для синфазных дросселей серии CPFC54 (таблица 3) вместо импеданса в документации производителя приводятся данные по индуктивности и допустимый разброс индуктивности для каждого типа.
Таблица 3. Основные параметры синфазных дросселей серии CPFC54
| Наименование | Размеры, ШxДxВ, мм | Индуктивность, мкГ | DCR при 20°С, мОм, | Макс. ток, А | Особенности применения |
| CPFC54-050C | 9.5×5.65×4.9 | 5 ±30% | 100 | 0.9 | Фильтрация сигнальных цепей в телекоммуникационном оборудовании, портативной аппаратуре |
| CPFC54-110C | 11 ±30% | 120 | 0.7 | ||
| CPFC54-250C | 25 ±30% | 130 | 0.7 | ||
| CPFC54-250S | 25 ±30% | 130 | 0.7 | ||
| CPFC54-510C | 51 ±30% | 160 | 0.6 | ||
| CPFC54-510S | 51 ±30% | 160 | 0.6 | ||
| CPFC54-101C | 100 ±30% | 230 | 0.5 | ||
| CPFC54-471C | 470 ±30% | 200 | 0.5 | ||
| CPFC54-102C | 1000 (-30/+50)% | 200 | 0.5 | ||
| CPFC54-222C | 2200 (-30/+50)% | 400 | 0.4 | ||
| CPFC54-472C | 4700 (-30/+50)% | 650 | 0.2 |
На рисунках 9…16 приведены конструкция, внешний вид и частотные характеристики импеданса для отдельных типов синфазных дросселей.
Рис. 9. Внешний вид синфазного дросселя серии CRR32
Рис. 10. Типовая частотная характеристика импеданса дросселя серии CRR32
Рис. 11. Конструкция дросселя CPFC54
Рис. 12. Типовые частотные характеристики импеданса синфазных дросселей серии CPFC54
Рис. 13. Внешний вид и электрическая схема синфазного дросселя серии CPFC74
Рис. 14. Частотная характеристика импеданса синфазного дросселя серии CPFC74
Рис. 15. Внешний вид и электрическая схема дросселя серии CPFC 85
Рис. 16. Частотные характеристики дросселей серии CPFC85
Как видно из рисунка 10, импеданс дросселя практически линейно увеличивается до частот 500…600 МГц.
Особенность справочных данных: в качестве базового параметра фильтров для серии CPFC54 производитель указывает значение индуктивности, а не импеданса. А вот частотные характеристики приводятся для импеданса (в режиме фильтрации синфазных помех).
Применение синфазных дросселей для подавления помех в цепях питания постоянного тока
Синфазные дроссели могут применяться для подавления шумового ЭМИ в цепях питания постоянного тока. Импульсные источники питания являются мощным источником паразитного ЭМИ как в самих устройствах, так и адаптерах питания. Для уменьшения уровня ЭМИ-помех через кабель синфазные дроссели устанавливаются на выходе сетевого адаптера. У входов разъема подключения внешнего адаптера питания также устанавливается синфазный дроссель.
На шине питания постоянного тока присутствуют как дифференциальные, так и синфазные помехи, поэтому следует принять меры к подавлению и тех, и других.
Для подавления синфазных помех могут быть использованы синфазные дроссели Sumida серии CPFC805.
Применение синфазных дросселей в скоростных интерфейсах
Фильтрация в автомобильных CAN-интерфейсах
Компания Sumida в своей документации специально акцентирует использование определенных серий синфазных дросселей именно в данном секторе – фильтрации помех в сигнальных цепях автомобильных CAN-интерфейсов. На рисунке 17 показана типовая схема применения синфазного дросселя в сигнальных цепях CAN-интерфейса.
Рис. 17. Применение синфазного дросселя для фильтрации помех в сигнальных цепях CAN-интерфейса
Фильтрация в цепях USB-интерфейсов
Основным источником ЭМИ в цепях данного интерфейса является интерфейсный кабель. Установка синфазного фильтра по дифференциальным сигналам данных позволяет с одной стороны уменьшить уровень излучения ЭМИ через кабель со стороны передающего блока USB, а с другой – обеспечить фильтрацию внешних помех. На рисунке 18 показана типовая схема применения синфазного дросселя в сигнальных цепях USB-интерфейса.
Рис. 18. ЭМИ–фильтр в цепях USB-интерфейса
ЭМИ-фильтры в дисплейных интерфейсах
Для подавления шума в HDMI обычно встраиваются фильтры, подавляющие только синфазную составляющую и не оказывающие никакого влияния на дифференциальные сигналы. Синфазные дроссели могут устанавливаться с обеих сторон интерфейсного кабеля на сигнальные цепи и цепи синхронизации LVDS-интерфейса. На рисунке 19 приведена схема использования синхронных дросселей в цепях кабеля LVDS-интерфейса ЖК-дисплея.
Рис. 19. Использование синхронных дросселей
в цепях кабеля LVDS-интерфейса ЖК-дисплея
Заключение
Применение синхронных дросселей Sumida обеспечивает снижение уровня помех, повышение помехоустойчивости и надежности функционирования сложных электронных устройств с высоким уровнем интеграции, работающих на высоких рабочих частотах. Широкая номенклатура обеспечивает выбор оптимального решения для различных применений с отличным показателем «цена/качество».