Часто задаваемые вопросы (FAQ) по синфазным фильтрам (дросселям) TDK (Epcos)

В данном разделе представлены наиболее часто задаваемые вопросы и ответы по характеристикам и особенностям применения синфазных дросселей (синфазных фильтров) TDK (Epcos).

В: Для чего нужен синфазный фильтр?

О: Синфазные фильтры используются для подавления шума дифференциальных линий передачи данных и линий электропитания. Таким образом, использование таких фильтров обеспечивает необходимый уровень электромагнитной совместимости, повышает помехоустойчивость и надежность работы электронных устройств.

В: Где применяются синфазные дроссели?

О: Синфазные дроссели применяются для подавления синфазных помех там, где форма полезного сигнала не терпит искажений, например, видиосигналы. Синфазные дроссели используются для фильтрации помех в высокоскоростных линиях передачи и интерфейсах, таких как HDMI, DVI, USB 3. 0. А также они широко применяются в цепях CAN-интерфейса в автомобильных системах управления.

Основные области применения синфазных дросселей
Промышленное оборудование	Лабораторные установки
Автомобильные системы управления и контроля	Медицинская техника
Системы безопасности, видеонаблюдение	Дисплеи, телевизоры
Ноутбуки, смартфоны, бытовая электроника	Источники питания, зарядные устройства

В: Какой принцип работы синфазных фильтров?

О:Синфазный дроссель представляет собой связанную индуктивность, может состоять из двух, трех или четырех катушек, намотанных на общий сердечник с высокой магнитной проницаемостью. В качестве примера рассмотрим конфигурацию, в которой два медных провода намотаны на кольцевой ферритовый сердечник (рис.1). В синфазном режиме магнитные потоки катушек складываются, входной импеданс возрастает, тем самым подавляя синфазные токи и снижая амплитуду шумового сигнала. В дифференциальном режиме магнитные потоки взаимно нейтрализуют друг друга, входной импеданс равен нулю, таким образом, они никак не влияют на прохождение дифференциальных токов.

Рисунок 1

Для дифференциального сигнала синфазные дроссели работают как проводник, тогда как для синфазного тока (шумового сигнала) – как индуктивность. В случае, если частоты полезного сигнала и шума пересекаются, в дифференциальном режиме подавляется только шум.

В: Где необходимо устанавливать синфазные дроссели для эффективного противодействия ЭМП?

О: Синфазные дроссели рекомендуется устанавливать на входе и выходе дифференциального сигнала передачи данных или линий электропитания.

В: На самих фильтрах/дросселях нет маркировки направления намоток. Повлияет ли направление установки на свойства фильтра?

О: Характеристики фильтра не зависят от направления установки.

В: Используются ли синфазные фильтры/дроссели в цепях переменного тока?

О: Cинфазные фильтры рекомендуется использовать только в сигнальных линиях, а также в цепях постоянного тока.

В: Можно ли устанавливать синфазные фильтры между землей и сигнальной линией?

О: Да, можно.

В: Как правильно подобрать синфазный фильтр?

О: Частота среза синфазного фильтра должна быть в три-пять раз больше, чем частота сигнала передачи данных, а также синфазный дроссель должен показывать высокий импеданс на частоте, на которой желательно подавить шум.

В: Что такое частота среза?

О: Это частота, на которой ослабление сигнала достигает -3дБ.

Вопросы по электрическим характеристикам

В: Какие базовые параметры синфазных дросселей?

О: Основные параметры синфазных дросселей следующие:

 импеданс на тестовой частоте [Ом];

 сопротивление обмоток дросселя на постоянном токе [Ом];

 допустимый максимальный ток через дроссель [А];

 конструкция, габариты;

 тип монтажа.

Синфазные дроссели фирмы TDK/Epcos для поверхностного монтажа

Фирма TDK (Epcos) производит широкий номенклатурный ряд синфазных дросселей для различных применений: традиционные проволочные – на средние и большие токи, а также малогабаритные многослойные/тонкоплёночные чип-дроссели для сигнальных цепей. Все изделия предназначены для поверхностного монтажа и имеют стандартизованные типоразмеры, обеспечивают высокий уровень подавления синфазных помех без искажений и ослаблений полезного сигнала.

Промышленная электроника
Внешний вид	Применение	Категория	Размеры JIS[EIA]	Серия	PDF
	HDMI, DVI, DisplayPort, USB3.0	2 линии	0403[0201]	TCM0403S
			0605[0202]	TCM0605S
				TCM0605T
	HDMI, DVI, USB3. 0		1210[0504]	MCZ1210DH
	HDMI, DVI			MCZ1210CH
	MIPI C-PHY	3 линии	0906[0302]	TCM0906C
	HDMI, DVI, DisplayPort, USB3.0, LAN	2 линии	2012[0805]	ACM2012H-T05
	USB2.0, LVDS		0403[0201]	TCM0403M
			0605[0202]	TCM0605G
				TCM0605M
			1210[0504]	MCZ1210AH
	Дифференциальные сигнальные линии		2012[0805]	ACM2012
		2,3 линии	2520[1008]	ACM2520
	Силовые линии	2 линии	4520[1808]	ACM4520
			7060[2824]	ACM7060
			9070[3628 inch]	ACM9070
			1211[4844]	ACM1211
			1513[6052]	ACM1513
			3225[1210]	ACP3225
	Телекоммуникации, РЧ оборудование, SMD		14mm x 10. 5mm	B82792C0
		4 линии		B82792C2
		2 линии	16.6mm x 13.3mm	B82794C0
		4 линии		B82794C2
	Телекоммуникации, РЧ оборудование		13mm x 9.5mm	B82720h24
		2 линии		B82720h25
			15. 2mm x 7.4mm	B82791h25
		4 линии	17.5mm x 17.5mm	B82791G14
		2 линии		B82791G15

Для упрощения выбора синфазного фильтра компания TDK разместила на официальном сайте интерактивную программу по подбору синфазных дросселей. Данный инструмент доступен по ссылке. В соответствующих полях указываются необходимые характеристики фильтра (рис.2). В результате открывается список соответствующих изделий (рис.3) с расшифровкой базовых параметров.

Рисунок 2

Рисунок 3

Одна из самых интересных функций этого интерфейса — возможность сравнивать на одном графике до пяти различных дросселей, что делает выбор оптимального изделия намного легче. Кривые импеданса и затухания показаны для каждого дросселя в нужном диапазоне частот. Перемещая курсор по графику, в всплывающем окне можно считать данные любой точки на интересующей частоте (рис.4).

Рисунок 4

Методы снижения синфазных и дифференциальных помех

Ямамото Хидетоши (Hidetoshi Yamamoto)

№ 10’2015

PDF версия

Электромагнитные помехи могут представлять серьезную проблему для электронных изделий, а потому требуют особого внимания со стороны разработчиков. В одном из предыдущих материалов [2] рассматривались вопросы электромагнитных помех и борьба с ними для импульсных источников питания. В данной статье на базе публикации [1] уделено внимание проблеме кондуктивных помех, связанных именно с линиями передачи сигналов, и их влиянию на конечное оборудование. Таким образом, в этом случае необходимо разобраться в различиях между синфазными и дифференциальными помехами, их воздействием на оборудование и сами линии связи, а также дать основные практические рекомендации по минимизации влияния таких помех.

Поскольку рассматриваемые помехи представляют собой разновидность электрической энергии, они естественным образом распространяются по проводникам в виде тока. В случаях, когда проводник представляет собой одну из жил многожильного кабеля, помехи по способу распространения делят на два вида: синфазные и дифференциальные. Схема, представленная на рис. 1, воспроизводит типичную ситуацию, с которой нередко приходится иметь дело при устранении влияния помех в системе электронного оборудования. Здесь к электронному устройству подсоединен интерфейсный кабель, который действует как антенна, излучая помехи. Когда кабель отсутствует, уровень помех низок (рис. 1a). А при подсоединенном кабеле уровень помех в полосе частот от 100 до 300 МГц возрастает, как показано на рис. 1б.

Рис. 1. Пример электромагнитных помех, излучаемых кабелем электронного устройства:
а) без кабеля;
б) при подсоединенном кабеле

Обычно у интерфейсного кабеля есть заземляющая линия, линия питания и сигнальная линия. Какая же из них проводит помеху? К тому же кабель, изображенный на рис. 1, может быть экранированным. Будет ли в этом случае помеха также распространяться и через экран? На деле синфазная помеха поступает на все контакты соединителя, к которому подключен кабель. «Земля» электрической цепи в общем случае рассматривается как некая условная точка отсчета потенциала, уровень помех в которой минимален. Если на «земляном» проводнике есть наложенная помеха, как показано на рис. 1, та же помеха будет присутствовать и в цепи питания, и в сигнальной цепи. Помеха, наложенная на общий провод («землю»), называется синфазной.

Принцип работы всех электрических устройств основан на протекании электрического тока по замкнутой цепи. Рассмотрим случай, когда часть цепи — кабель — вынесена вовне, как на рис. 2a. Кабель представлен двумя сигнальными проводами, через которые течет ток в противоположных направлениях. Эти токи равны по модулю, но противоположны по направлению, а потому сумма их электрических полей всегда будет равна нулю. Такой режим называется дифференциальным.

Рис. 2. Режимы:
а) дифференциальный;
б) синфазный

Возможна и другая ситуация, когда токи по разным линиям внутри кабеля протекают в одном направлении (рис. 2б). В таком случае говорят о синфазном режиме. Синфазная компонента — это составляющая электрического тока, протекающая по разным линиям в одном и том же направлении из-за одинакового напряжения, воздействующего на каждую из линий тем или иным образом. Из рисунка можно понять, что ток помехи обусловлен утечкой тока через плавающую электростатическую емкость нагрузки относительно «земли» с возвратом в источник помехи через «землю» (ток может протекать и через непосредственное соединение нагрузки с источником помехи, не проходя через «землю»).

В общем случае для подавления дифференциальных помех, распространяющихся по проводникам, используются фильтры нижних частот (ФНЧ) из конденсаторов (C) и катушек индуктивности (L). Эти фильтры устанавливаются в середине кабеля, служащего проводником помехи, или в точке его подсоединения. Как показано на рис. 3, сочетание конденсатора, включенного параллельно, и последовательно включенного реактивного элемента в виде дросселя может служить фильтром для подавления дифференциальных помех. Как уже говорилось, ток дифференциальной помехи течет в том же направлении, что и рабочий ток цепи. Поэтому индуктивность L и емкость C подбирают так, чтобы частота среза образованного ими ФНЧ не оказывала влияния на функционирование цепи.

Рис. 3. Пример схемы фильтра дифференциальных помех

Если обе линии имеют плавающий потенциал относительно «земли», цепь считается дифференциальной, и последовательно включенный реактивный элемент в виде дросселя используется в обеих линиях. При этом необходимо позаботиться о сохранении симметрии, чтобы импеданс линий был одинаков. Если же одна из сторон заземлена (например, как в цифровых цепях), цепь считается несимметричной, и на стороне «земли» такой реактивный элемент обычно не применяется. Здесь терминами «дифференциальный» и «несимметричный» обозначается соотношение между потенциалами линий относительно «земли» при протекании синфазной компоненты тока. Если потенциал двух линий симметричен (равен по модулю и противоположен по знаку), то цепь носит название дифференциальной, а если значительный потенциал имеет только одна из линий, то цепь называется несимметричной. Вторая линия несимметричной цепи — это «земля», потенциал которой почти равен нулю.

На рис. 4 показана схема фильтра синфазных помех, содержащего соединенные с «землей» конденсаторы (их еще называют Y‑конденсаторами). В качестве последовательно включенного реактивного элемента следует по возможности использовать синфазный дроссель. Если кабель многожильный, целесообразно создать аналог синфазного дросселя, намотав его на ферритовый сердечник или пропустив его через такой сердечник. Синфазная помеха может возникать на общей линии, к которой подсоединен Y‑конденсатор. В этом случае помехоподавляющее действие Y‑конденсатора ослабляется, поскольку такая общая линия, к которой он подключен, уже не является «землей» в прямом смысле, так как она не имеет нулевой потенциал относительно точки заземления.

Рис. 4. Простейшая схема фильтра синфазных помех

В подобной ситуации необходимо предусмотреть отдельную точку заземления для Y‑конденсатора. Как показано на рис. 4, она должна обеспечивать более легкий путь для возврата тока помехи в источник помехи, чем пути через паразитные емкости, замыкая контур и таким образом ограничивая ее распространение.

В последние годы высокоскоростная передача сигналов (как, например, в интерфейсе USB) все чаще реализуется по дифференциальной схеме. Синфазные помехи, содержащиеся в дифференциальных сигналах, несколько отличаются от тех, которые описаны выше.

В дифференциальной схеме сигналы на каждой линии в паре имеют противоположную фазу, как показано на рис. 5, и сигнал регистрируется приемником как разность напряжения между линиями. Если токи двух линий симметричны, они содержат только дифференциальную компоненту, поэтому уровень помех очень низок ввиду механизма, изображенного на рис. 5. В этом случае снижается и восприимчивость к помехам, наведенным извне.

Рис. 5. Форма дифференциального сигнала

Вместе с тем если сигнал, переданный по двум линиям, слегка разбалансирован (теряет симметрию), его разбалансированные компоненты образуют синфазную помеху. Считается, что разбаланс может быть вызван такими факторами, как несогласованность скорости нарастания и спада импульса, различия во времени распространения или в абсолютных величинах сигналов, а также наложенными на него синфазными помехами.

За исключением последнего, все эти факторы представляют собой проблемы, связанные с формированием целостности сигнала, а не с помехами как таковыми. Кроме того, разбаланс может возникать и из-за неодинаковой длины проводов в линиях передачи сигнала, их изгиба, различий полного сопротивления (импеданса) оконечных нагрузочных резисторов или несоблюдения требований по согласованию (волновому сопротивлению), что приводит к росту коэффициента стоячей волны (КСВ) и, следовательно, к возникновению внутренних отражений в линии передачи. Спектр синфазной помехи, обусловленной разбалансом сигнала, имеет вид высокочастотных гармоник, наложенных на частоту основного сигнала (рис. 6).

Рис. 6. Причины возникновения синфазных помех:
а) неодинаковое время распространения;
б) неодинаковое время нарастания;
в) разные величины сигналов;
г) наложенная синфазная помеха

Кроме того, наложенная помеха часто наблюдается как результат воздействия внешней помехи через источник питания или «землю» усилителя-формирователя либо приемника. Она может иметь вид гармоник основного сигнала, а может возникать на частотах, никак не связанных с частотой сигнала, что приводит к возникновению интермодуляционных искажений. При этом особенно сложно удалять низкочастотные биения [2].

Обычно для подавления тока синфазных помех, которые приводят или являются следствием разбаланса дифференциальных сигналов, используются синфазные дроссели. Как правило, они устанавливаются на стороне усилителя-формирователя. Но если помехи наблюдаются на стороне приемника, дроссели устанавливаются и там. В качестве синфазных дросселей должны быть выбраны элементы с малой величиной затухания на рабочей частоте. Причина этого заключается в том, чтобы такие дроссели не оказывали негативного влияния на полезный дифференциальный сигнал. Такой выбор не вызывает сложности, поскольку основной спектр помех обычно лежит значительно выше рабочей частоты линии передачи. Помимо синфазных дросселей, для защиты дифференциальных сигналов от помех применяются экранированные кабели.

Из всего сказанного можно сделать следующие выводы.

Кондуктивные помехи, или помехи проводимости, — это не только и не столько продукты внешнего влияния, они могут быть следствием внутренних процессов, связанных с технологией передачи информации. При наличии линий связи с высокоскоростными сигналами мы неизбежно сталкиваемся с проблемой помех проводимости.

Помехи проводимости имеют два типа: дифференциальный и синфазный. В зависимости от характера воздействия на сигнал помехи могут суммироваться с сигналом, не изменяя информативной составляющей самого сигнала, а могут изменять форму информационной части сигнала, иметь зависимость от его значений и от определенных особенностей в сигнале и т.  п. При известном характере помех последнего типа возможна коррекция сигнала для уменьшения их влияния. Такой коррекцией может быть улучшение согласования линии передачи (по КСВ, длинам отдельных линий, минимизации перегибов и т. п.), повышение качества формирования дифференциального сигнала (согласования по скорости нарастания и амплитуде).

Для дифференциальной помехи должен использоваться метод ее замыкания с помощью X‑конденсаторов, а еще лучше полноценных ФНЧ с использованием дросселей. При этом частоту среза такого фильтра следует выбирать с учетом минимального его влияния на передачу полезного сигнала.

Синфазные помехи могут быть вызваны токами утечки в цепи, например через паразитные емкости. Такая утечка вызывает сильное электромагнитное излучение, которое влияет на работу конечного оборудования. И хотя синфазные помехи не сказываются непосредственно на структуре передаваемого сигнала, они переходят в дифференциальные, а потому они должны быть уменьшены как можно раньше и как можно ближе к их потенциальному источнику. Поскольку подавление таких помех путем обычной фильтрации невозможно, то для их подавления необходимо использовать специальные синфазные дроссели или ферритовые поглощающие элементы, установленные на линию передачи. Кроме того, если это возможно, следует применять блокирующие данный вид помех Y‑конденсаторы с правильно выбранной точкой их подключения, которые сформируют более легкий путь для помехи и, таким образом, устранят ее дальнейшее распространение.

Еще одним важным аспектом является экранирование. Этот вопрос требует отдельного рассмотрения. Однако надо учитывать, что в ряде случаев само по себе экранирование не решает поднятую в настоящей статье проблему на сто процентов, поскольку рассмотренные помехи могут и будут наводиться на экранную оплетку. Так что в любом случае решение должно быть комплексным.

Литература

1. Noise Suppression Products/EMI Suppression Filters. Conductor conduction and common mode. Murata Manufacturing Co., Ltd. murata.com/en-sg/products/emc/emifil/knowhow/basic
2. Робертс С. Решения проблемы пульсаций и помех DC/DC-преобразователей: входная и выходная фильтрация // Компоненты и технологии. 2015. № 8.

Акробатическая способность фильтра синфазных помех разделять сигналы и шум｜Введение в темы EMC｜Узнайте о технологии с помощью TDK

Компоненты

— Часть 5: Акробатическая способность синфазного фильтра разделять сигналы и шум

• фейсбук
• твиттер
• Линкедин

Шум распространяется двумя разными способами (называемыми режимами): дифференциальным и синфазным. Роль фильтров синфазных помех заключается в избирательном удалении шума, распространяющегося в синфазном режиме, при этом пропуская сигналы, которые проходят в дифференциальном режиме. Эти компоненты шумоподавления широко используются в высокоскоростных цифровых интерфейсах, таких как USB, IEEE 139.4, HDMI и DisplayPort.
Цифровое оборудование и интерфейсные кабели являются источниками излучаемых помех. Если не принять никаких мер противодействия, шум, излучаемый электронными устройствами, может трансформироваться в кондуктивный шум в обычном режиме, отрицательно влияя на устройства даже на расстоянии.

Главное сначала определить тип кондуктивного шума

В какой-то степени все электрическое и электронное оборудование вокруг нас является источником излучаемого шума. Это можно подтвердить простым способом. Например, если вы подносите портативное радио близко к работающему компьютеру или телевизору, его прием нарушается, издавая скрежещущие или пищащие звуки. Даже цифровая камера с батарейным питанием может быть источником излучаемого шума. В дополнение к излучаемому шуму существует кондуктивный шум, который распространяется по силовым и сигнальным линиям. Кондуктивный шум может трансформироваться в излучаемый через кабели, действующие как антенны, и, наоборот, излучаемый шум может превратиться в кондуктивный шум. Поскольку шум может вести себя по-разному, а также появляться и исчезать по желанию, электронные устройства должны не допускать, чтобы они сами становились источниками шума, и одновременно принимать меры по обеспечению устойчивости, чтобы избежать воздействия внешнего шума. Это основная концепция ЭМС.
Как правило, кондуктивные шумы отводятся на землю конденсаторами или поглощаются резисторами, ферритовыми сердечниками или чипами, а затем рассеиваются в виде тепла. Другой важной тактикой подавления кондуктивного шума является использование свойства индуктора (катушки) отражать шум и блокировать его. Это работает, потому что индуктор позволяет свободно проходить постоянному току, в то же время препятствуя протеканию переменного тока из-за его высокого импеданса (сопротивления переменного тока). Однако кондуктивный шум распространяется в двух различных режимах — дифференциальном режиме и синфазном режиме — что требует контрмер, учитывающих их различия. Если мода шума определена неправильно, добавление в схему шумоподавляющих компонентов может даже усугубить шумовую ситуацию.

Шум, распространяющийся от источника к электронной схеме по сигнальной линии и обратно на сторону источника питания по дорожкам SG (сигнальная земля). Это называется «дифференциальным режимом», потому что направления тока на исходящих и обратных путях меняются местами. Большинство сигналов проходят в дифференциальном режиме.

Шум, распространяющийся по сигнальной линии и SG (сигнальной земле) в одном направлении. Синфазный шум возникает из-за паразитной емкости и магнитной связи между соседними сигнальными линиями.

Меры по противодействию синфазному шуму приобретают все большее значение

Дифференциальный режим (также называемый нормальным режимом) — это режим проводимости, в котором сигнальная линия является исходящим путем, а сигнальная земля (SG) — обратным путем. Большинство сигналов в электронной схеме проходят в дифференциальном режиме.
Общий режим, с другой стороны, представляет собой режим проводимости, в котором исходящий и обратный потоки имеют одинаковое направление. Синфазный шум вызван такими проблемами, как дисбаланс импеданса в системе проводки, и становится более заметным на более высоких частотах. Хуже того, поскольку синфазный шум может проходить через пол или землю и возвращаться в виде большой петли, он может вызывать различные шумовые помехи даже в удаленных электронных устройствах. Вот почему в цифровом оборудовании особое внимание уделяется противодействию синфазному шуму в дополнение к мерам противодействия дифференциальному шуму.

Характеристики, требуемые от фильтров синфазных помех: пропускание сигналов (дифференциальный режим) при удалении только синфазных помех; Не нарушайте формы дифференциальных сигналов передачи, таких как сигналы USB и IEEE 1394.

Например, кабели для высокоскоростных интерфейсов, таких как USB, IEEE 1394, HDMI и DisplayPort используют два сигнальных провода (в витых парах) с сигналами, перевернутыми на 180 градусов по фазе. Этот метод называется дифференциальной передачей и обеспечивает чрезвычайно высокую скорость передачи данных. Дифференциальная передача характеризуется низким уровнем излучаемого шума и малой восприимчивостью к внешнему шуму. На практике, однако, дисбаланс в коммуникационных характеристиках двух сигнальных линий может вызвать синфазный шум, или кабель может действовать как антенна и излучать шум. По этим причинам фильтры синфазных помех (CMF), основанные на принципе дросселей, часто используются в высокоскоростных интерфейсах, таких как USB, IEEE 139.4, HDMI и DisplayPort.

Дроссель оказывает тормозящее действие при резких изменениях протекающего тока, например переменного тока, за счет создания электродвижущей силы (наведенного тока) в направлении, противоположном ей (эффект самоиндукции).

Умное разделение шума и сигналов путем распознавания мод проводимости

Фильтр синфазных помех имеет структуру, напоминающую две дроссельные катушки, объединенные в одну. Дроссель представляет собой электронный компонент с проводами, намотанными на сердечник. При протекании тока по намотанному проводу в сердечнике создается магнитный поток, который действует как тормоз против резких изменений тока (эффект самоиндукции индуктора). Катушки обладают свойством блокировать переменный ток, поэтому их называют дросселями.

Однако сигналы, находящиеся в дифференциальном режиме, и синфазный шум являются формами высокочастотного переменного тока. Так почему же синфазный фильтр способен пропускать дифференциальные сигналы, удаляя при этом только синфазный шум?
Ключом является направление, в котором два провода намотаны на сердечник. В синфазном фильтре два провода намотаны в одном направлении на одном сердечнике, что дает любопытный эффект.
В дифференциальном режиме сигнальный ток проходит по одному проводу и возвращается по другому. Магнитные потоки в сердечнике генерируются в противоположных направлениях, компенсируя друг друга и позволяя сигналу свободно проходить. С другой стороны, синфазный шум течет в том же направлении, поэтому магнитные потоки усугубляются и усиливают друг друга. Эффект торможения становится сильнее, а синфазный шум блокируется. Это основной принцип фильтра синфазных помех. Хотя это крошечный компонент, он чрезвычайно эффективен. В эпоху высокоскоростных сетей большой емкости фильтры синфазных помех становятся важными компонентами подавления шума.

Намотка проводов на тороидальный (кольцевой) сердечник затруднена. Чтобы автоматизировать процесс намотки, а также добиться миниатюризации, широкое распространение получили фильтры синфазных помех, сочетающие ферритовые барабанные сердечники и пластинчатые сердечники, как показано ниже. Это крошечные электронные компоненты размером всего несколько квадратных миллиметров.

Руководство по проектированию фильтров синфазных помех

Выбор значений компонентов для фильтров синфазных помех не должен быть сложным и запутанным процессом. Использование стандартных выравниваний фильтров может быть использовано для достижения относительно простого и прямого процесса проектирования, хотя такие выравнивания могут быть легко изменены для использования предварительно определенных значений компонентов.

Общий Сетевые фильтры

предотвращают передачу чрезмерных помех между электронным оборудованием и линией переменного тока. Как правило, упор делается на защиту линии переменного тока. На рис. 1 показано использование фильтра синфазных помех между линией переменного тока (через схему согласования импеданса) и (шумящим) силовым преобразователем. Направление синфазного шума (шум на обеих линиях, происходящий одновременно, называемый заземлением) идет от нагрузки к фильтру, где шум, общий для обеих линий, становится достаточно ослабленным. Результирующий синфазный выходной сигнал фильтра на линию переменного тока (через схему согласования импеданса) в этом случае пренебрежимо мал.

Рисунок 1. Обобщенная фильтрация строк

Конструкция синфазного фильтра представляет собой конструкцию из двух идентичных дифференциальных фильтров, по одному для каждой из двух линий полярности, с катушками индуктивности каждой стороны, соединенными одним сердечником (см. Рисунок 2).

Рис. 2. Синфазная катушка индуктивности

Для дифференциального входного тока (от (A) до (B) через L1 и до (A) через L2) суммарный магнитный поток, связанный между двумя индукторами, равен нулю.

Любая индуктивность, с которой сталкивается дифференциальный сигнал, является результатом несовершенной связи двух дросселей. Они работают как независимые компоненты, их индуктивности рассеяния реагируют на дифференциальный сигнал, а индуктивности рассеяния ослабляют дифференциальный сигнал.

Когда катушки индуктивности L1 и L2 сталкиваются с идентичным сигналом одной и той же полярности относительно земли (сигнал синфазного сигнала), каждый из них вносит суммарный ненулевой поток в общий сердечник. Таким образом, катушки индуктивности работают как независимые компоненты, и их взаимная индуктивность реагирует на общий сигнал: тогда взаимная индуктивность ослабляет этот общий сигнал.

Фильтр первого порядка

Самый простой и недорогой в разработке фильтр — это фильтр первого порядка. Этот тип фильтра использует один реактивный компонент для хранения определенных полос спектральной энергии без передачи этой энергии на нагрузку. В случае синфазного фильтра нижних частот в качестве реактивного элемента используется синфазный дроссель.

Требуемое значение индуктивности дросселя — это просто нагрузка в Омах, деленная на частоту в радианах, при которой сигнал должен быть ослаблен. Например, затухание на частоте 4000 Гц и выше на нагрузке 50 Ом потребует 1,9Катушка индуктивности 9 мГн (50/(2π x 4000)). Результирующая конфигурация фильтра синфазных помех показана на рисунке 3.

Рисунок 3: Фильтр синфазных помех первого порядка (однополюсный)

Затухание на частоте 4000 Гц будет составлять 3 дБ с увеличением на 6 дБ на октаву. Из-за преобладающей зависимости индуктивности фильтра первого порядка необходимо учитывать изменения фактической индуктивности дросселя. Например, отклонение номинальной индуктивности на ± 20 % означает, что номинальная частота 3 дБ при частоте 4 000 Гц может составлять от 3 332 Гц до 49 Гц.99 Гц.

Обычно значение индуктивности синфазного дросселя указывается как минимальное требование, что гарантирует, что частота кроссовера не будет смещена слишком высоко. Однако следует соблюдать осторожность при выборе дросселя для фильтра нижних частот первого порядка, поскольку индуктивность с гораздо более высоким, чем типичное или минимальное значение, может ограничить полезную полосу ослабления дросселя.

Фильтры второго порядка

Фильтр второго порядка использует два реактивных компонента и имеет два преимущества по сравнению с фильтром первого порядка. В идеале фильтр второго порядка: 1) обеспечивает затухание 12 дБ на октаву (в четыре раза больше, чем у фильтра первого порядка) после точки среза; и 2) обеспечивает большее затухание на частотах выше собственного резонанса индуктора (см. рис. 4).

Рисунок 4: Анализ синфазного фильтра нижних частот второго порядка (двухполюсного)

Конструкция фильтра второго порядка требует большей тщательности и анализа, чем фильтра первого порядка, чтобы получить подходящую характеристику вблизи точки отсечки, но, как упоминалось ранее, на более высоких частотах требуется меньше внимания.

Одним из критических факторов, влияющих на работу фильтров более высокого порядка, является характер затухания на частоте среза. Предполагая тесную связь компонентов фильтра и разумную связь самого дросселя (условия, которых мы ожидаем достичь), усиление вблизи точки отсечки может быть очень большим (несколько дБ). Кроме того, время отклика будет медленным и колебательным. С другой стороны, усиление в точке кроссовера также может быть меньше предполагаемого -3 дБ (затухание 3 дБ), что обеспечивает хорошую переходную характеристику, но частотная характеристика вблизи и ниже частоты среза может быть меньше, чем оптимально плоской.

В конструкции фильтра второго порядка коэффициент демпфирования (обычно обозначаемый греческой буквой дзета (ζ)) описывает как усиление на угловой частоте, так и временную характеристику фильтра. На рис. 5 показаны нормализованные графики коэффициента усиления в зависимости от частоты для различных значений дзета.

Рисунок 5: АЧХ второго порядка для различных коэффициентов демпфирования (ζ)

Когда коэффициент демпфирования становится меньше, усиление на частоте среза становится больше, и идеальным пределом для нулевого демпфирования было бы бесконечное усиление. Врожденные паразитные характеристики реальных компонентов снижают усиление, ожидаемое от идеальных компонентов, но адаптация частотной характеристики в пределах нескольких октав от критической точки среза по-прежнему эффективно зависит от параметров идеального фильтра (т. е. частоты, емкости, индуктивности, сопротивления).

Для некоторых типов фильтров может потребоваться сохранение конструкции и характеристик демпфирования для удовлетворения конкретных требований к рабочим характеристикам. Однако для многих реальных сетевых фильтров коэффициент демпфирования, равный примерно 1 или больше, и частота среза в пределах октавы расчетного идеала должны обеспечивать подходящую фильтрацию.

Ниже приведен пример конструкции фильтра нижних частот второго порядка:

1. Определите требуемую частоту среза — Предположим, что у нас есть импульсный источник питания (для использования в оборудовании, подпадающем под действие UL 478), шум которого на 24 дБ выше на частоте 60 кГц, чем допустимо для предполагаемого применения. Для фильтра второго порядка (спад 12 дБ/октава) желаемая частота среза составит 15 кГц.
2. Определите сопротивление нагрузки на частоте среза — Предположим, что R _L = 50 Ом
3. Выберите нужный коэффициент демпфирования. — выберите не менее 0,707, что обеспечит затухание на 3 дБ на угловой частоте, а также благоприятный контроль над звоном фильтра.
4. Рассчитайте необходимые значения компонентов, используя следующие уравнения:
   
   
5. Выберите доступные компоненты следующим образом:
   C = 0,05 мкФ (наибольшая номинальная емкость стандартного конденсатора, которая соответствует требованиям к току утечки для UL 478/ CSA C22.2 № 1: снижение на 300 % по сравнению с расчетным)
   L = 2,1 мГн (примерно на 300 % больше расчетного для компенсации снижения или емкости)
6. Рассчитайте фактическую частоту, коэффициент затухания и затухание для компонентов, выбранных с помощью следующих уравнений:
   
   ζ = 2,05 (допустим коэффициент затухания около 1 или более)
   Затухание = (12 дБ/октава) x 2 октавы = 24 дБ
7. Полученный фильтр соответствует рисунку 4, где:
   L = 2,1 мГн; С = 0,05 мкФ; R _L = 50 Ом

Примечание. Коэффициент демпфирования, намного превышающий 1, может привести к неприемлемо высокому затуханию низких частот, тогда как коэффициент демпфирования, намного меньший 0,707, может вызвать нежелательный звон, а сам фильтр может создавать шум.

Фильтры третьего порядка

Фильтр третьего порядка в идеале обеспечивает затухание на 18 дБ на октаву выше точки среза (или точек среза, если три угловые частоты не совпадают). Это заметно положительный аспект этого фильтра более высокого порядка. Основным недостатком является стоимость, поскольку теперь требуются три реактивных компонента. Фильтры выше третьего порядка, как правило, непомерно дороги.

Проект универсального фильтра легко достигается с помощью стандартных выравниваний, таких как максимально плоское выравнивание (также известное как выравнивание Баттерворта). На рис. 6 показан общий анализ и отношения компонентов к выравниваниям Баттерворта для фильтра нижних частот третьего порядка. Выравнивание Баттерворта обеспечивает присущую ζ 0,707 и точку -3 дБ на частоте кроссовера. Выравнивания Баттерворта для первых трех порядков фильтров нижних частот показаны на рисунке 7.

Рисунок 6: Анализ фильтра нижних частот третьего порядка (трехполюсный), где ω ₁ , ω ₂ и ω ₄ возникают на той же частоте -3 дБ, что и ω ₀

 

Рисунок 7. Фильтры нижних частот первых трех порядков и их выравнивание по Баттерворту

Конструкция сетевого фильтра не обязательно должна точно соответствовать выравниванию Баттерворта (хотя такое выравнивание обеспечивает хорошую основу для проектирования). Кроме того, из-за ограничений по току утечки, налагаемых на электронное оборудование (таким образом ограничивая величину емкости фильтра относительно земли), обычно требуется регулировка выравнивания, но ее можно выполнить очень просто следующим образом:

1. Первая конструкция низкочастотного фильтра второго порядка с ζ ≥ 0,5;
2. Добавьте третий полюс (имеющий желаемую угловую частоту) путем каскадирования второй катушки индуктивности между фильтром второго порядка и шумовой нагрузкой так, чтобы:
   L = R/ (2 π f _c )
   желаемая угловая частота.

Процедура проектирования

В следующем примере определяются требуемые значения компонентов для фильтра третьего порядка (для тех же требований, что и в предыдущем примере конструкции второго порядка):

1. Укажите требуемую частоту кроссовера, сопротивление нагрузки:
   Выберите f _c = 15000 Гц
   Выберите R _L = 50 Ом
2. Разработайте фильтр второго порядка с ζ = 0,5 (см.