Тема: Эффективность помехоподавляющих электронных компонентов
Автор: Фоченков Эдуард Анатольевич - ведущий инженер-конструктор ОАО "МСТАТОР"
Аннотация
Треть века назад эксперименты по быстрому охлаждению металлических расплавов,которые проводились с целью получения субмикроскопической структуры металла,показали,что в некоторых случаях кристаллическая решетка в металле вообще отсутствует,а расположение атомов характерно для бесструктурного,аморфного тела. Оказалось,что у аморфного металла совсем другие свойства,не сходные с кристаллическим металлом. Аморфные сплавы получили название металлических стекол. В статье рассказывается о некоторых областях применения магнитопроводов,выполненных из аморфных металлических сплавов.
Аморфные помехоподавляющие устройства подавляют быстрые изменения электрического тока, которые могли бы привести к электрическому шуму в схеме. В отличие от других методов, которые поглощают шум после того, как он уже создан, описываемые устройства подавляют источник шума. Благодаря прямоугольной форме петли гистерезиса, аморфные помехоподавляющие устройства имеют очень большую индуктивность в момент перехода тока через нуль, которая эффективно блокирует любые быстрые изменения тока. После установки нормального тока аморфные помехоподавляющие устройства насыщаются и имеют очень низкую индуктивность.
Аморфные помехоподавляющие устройства просто и эффективно уменьшают шум, вызванный обратным током восстановления в полупроводниковых коммутационных устройствах в момент выключения.
Рис.1. Аморфные помехоподавляющие устройства
Одновитковые помехоподавляющие устройства (на основе цилиндрических магнитопроводов) конструктивно оптимизированы для использования с одновитковой обмоткой, которой обычно является вывод компонента. Т.е. они надеваются на вывод компонента (транзистора, диода) перед монтажом в печатную плату. Минимальная длина средней линии обеспечивает отличные свойства даже при малых токах и всего одном витке.
Многовитковые помехоподавляющие устройства ("SPIKE KILLERS" или «убийцы выбросов») представляют собой маленькие сердечники с режимом насыщения с обмоткой из нескольких витков провода и обеспечивают превосходное подавление шумов и защиту полупроводниковых приборов.
Функционально аморфные помехоподавляющие устройства используются
- для подавления шумов (благодаря эффективному контролю тока обратного восстановления диода, шум переключения диода очень мал),
- для защиты полупроводников (высокая индуктивность в момент перехода тока через нуль исключает потенциально опасные короткие выбросы напряжения/тока),
- для предохранения окружения (подавляют паразитные выбросы напряжения/тока, которые могли бы вызвать проблемы в работе окружающих узлов в схеме).
Преимущество описываемых устройств по сравнению с другими методами заключается в
- более высокой эффективности (за счёт устранения причины помех – быстрых изменений тока),
- меньших потерях (суммарные потери ниже, чем потери в обычной RC цепочке на высокой частоте),
- экономии площади печатной платы (одеваются непосредственно на выводы полупроводников, не требуя дополнительного места на печатной плате).
Этот класс магнитопроводов получил широкое применение в импульсных источниках питания, DC-DC конвертерах, схемах управления электродвигателей, АС адаптерах, в переключательных полупроводниковые схемах, в маленьких синфазных фильтрах.
Принцип работы аморфных помехоподавляющих устройств
Принцип использования насыщаемых аморфных помехоподавляющих устройств применительно к шуму переключения диода поясняется рисунками 2-1 и 2-2.
Период 1 (Диод включен)
В период протекания постоянного прямого тока (область "I" на рисунке 2-1), намагничивание магнитопровода остается почти постоянным (область " I " на Рис. 2-2). В это время магнитопровод насыщается, поэтому дроссель имеет очень низкую индуктивность (Индуктивность пропорциональна наклону кривой В-Н).
Период 2 (Диод выключается)
В период уменьшения прямого тока диода, при выключении ("II" на Рис. 2-1), намагничивание магнитопровода изменяется как "II " на Рис. 2-2. Дроссель всё ещё имеет низкую индуктивность.
Период 3 ( Обратное восстановление)
Диодный ток продолжает уменьшаться ниже нуля ("III" на Рис. 2-1). Этот период характерен высоким значением di /dt в период обратного восстановления диода, которое является причиной помех в схеме. Намагничивание магнитопровода изменяется как "III" на Рис. 2-2. В это время, индуктивность (импеданс) дросселя быстро увеличивается, что предотвращает быстрое восстановление тока диода. Таким образом, преобразовывая резкое обратное восстановление к "мягкому" восстановлению, с уменьшенным di/dt, дроссель устраняет источник шума.
Период 4 (Диодное восстановление закончено)
Как только восстановление диода закончено ("IV" на Рис. 2-1), намагничивание магнитопровода изменяется как "IV " по вертикальной оси (Рис. 2-2).
Период V (Диод снова включается)
Когда приходит следующий импульс, диод снова включен ("V" на Рис. 2-1). Намагничивание магнитопровода изменяется как "V" на Рис. 2-2.
Магнитопровод циклически повторяет период "I" - "V". Механизм, описанный выше, предотвращая быстрое изменение тока при переходе через нуль, приводит к отличному подавлению высокочастотных колебаний (попадающих на выход и создающих радиопомехи).

Рис. 2-1 и 2-2 - Графическое отображение принципа использования насыщаемых аморфных помехоподавляющих устройств применительно к шуму переключения диода
Типовое применение аморфных помехоподавляющих устройств:
Рис.3. - Типовое применение помехоподавляющих магнитопроводов.

Выбор изделия для конкретного применения
В таблице 1 приведены общие соображения, используемые при выборе аморфных помехоподавляющих магнитопроводов. Они не являются абсолютными, это только общие рекомендации.
Таблица 1
Одновитковые устройства (цилиндрические магнитопроводы) MSB | Многовитковые устройства
MSK | |
Выходное напряжение | Обычно ⩽ 12 В | Любое |
Время обратного восстановления | Обычно ⩽ 35 нсек | Любое |
Эффективность | Хорошая | Отличная |
Стоимость | Ниже | Выше |
Обмотка | Обычно 1 виток | Возможность применения более 1 витка |
Возможность монтажа на вывод компонента | Да | Возможно для некоторых типоразмеров |
Определение типономинала
После выбора группы устройства, конкретный типономинал определяется следующим образом:
Для одновитковых устройств:
Для эффективного подавления переднего фронта обратного тока восстановления должно быть выполнено следующее условие:
2Фm ⩾ ( Vc × trr) (Вб), где (1)
2Фm – полный (двойной) поток в магнитопроводе [Вб];
Vc – напряжение, подаваемое на диод [В];
trr – время обратного восстановления диода [Сек].
Пример выбора оптимального магнитопровода:
В качестве примера рассмотрим обратно включенный диод форвард-конвертера.
- Выходное напряжение [Vo]=12V.
- Время обратного восстановления [trr]=35 нсек.
- Скважность [D]=0.3 (30 %)
а) По таблице 1 выбираем цилиндрический помехоподавляющий магнитопровод.
б) Вычисляем правую сторону выражения (1) для данной схемы:
2Фm ⩾ (12 / 0.3) × 35 × 10-9
2Фm ⩾ 1.4 мкВб
Таблица 2
ТИП | Габаритные размеры в контейнере (внешн. диам. – внутр. диам. – высота) (мм) | Длина cредней линии Lm (мм) | Эфф. сечение Ас (мм²) | Коэфф. индукт. AL (мкГн/ вит2) | Динамические параметры @ F=100 Кгц, Нm=1Э (80 А/м), 25°С | ||
Полный поток 2Фm (мкBб) | Коэрц. сила Hc (А/м) | Коэфф. прямоуг. Br/Bm (%) | |||||
Nominal | Nominal | Nominal | Min | Min | Max | Min | |
MSB-03A-N (МП3×2×3АП) | 4.0-1.5-4.5 | 7.75 | 1.2 | 3.0 | 1.1 |
25 |
88 |
MSB-03S-N (МП3×2×4.5АП) | 4.0-1.5-6.0 | 7.75 | 1.8 | 5.0 | 1.65 | ||
MSB-03B-N (МП3×2×6АП) | 4-1.5-7.5 | 7.85 | 2.4 | 7.0 | 2.20 | ||
MSB-04S-N (МП4×2×4.5АП) | 5.1-1,5-6.0 | 9.06 | 3.6 | 9.0 | 3.30 | ||
MSB-04B-N (МП4×2×6АП) | 5.1-1.5-7.5 | 9.06 | 4.8 | 12.0 | 4.40 |
в) По таблице 2 выбираем самый маленький по размеру магнитопровод, который удовлетворяет выражению (1).
Это MSB-03S-N (старое наименование МП 3 х 2 x 4.5 АП).
Для многовитковых устройств:
Для конкретного применения должно быть выполнено следующее условие:
(2Фm × Аw)⩾ 1.5 × Vc × I0 × trr (Вб×мм2), где (2)
2Фm – Максимальный магнитный поток в магнитопроводе [Вб];
Аw – Область для обмотки [мм2];
Vc – Напряжение, подаваемое на компонент [В];
I0 – Ток через компонент [А];
trr – Время обратного восстановления диода [Сек].
Пример выбора оптимального дросселя
В качестве примера рассмотрим обратно включенный диод форвард-конвертера. Выходное напряжение [Vo] =24V. Время обратного восстановления [trr] =60 нсек. Скважность [D] =0.3 (30%). Выходной ток [Io] =2А.
(2Фm × Аw) ⩾ 1.5 × (24 / 0.3) × 2 × 60 × 10-9
(2Фm × Аw)⩾ 14.4 мкВб×мм2
Таблица 3
ТИП
| Габаритные размеры в контейнере1) (мм) | Длина cредней линии Lm (мм) | Эфф. сечение Ас (мм²) | Коэфф. индукт. AL 2) (мкГн/ вит2) | 2Фm×Aw3) (мкВб×мм2) | Динамические параметры @ F=100 Кгц, Нm=1Э (80 А/м), 25°С | ||
Полный поток 2Фm (мкBб) | Коэрц. сила Hc (А/м) | Коэфф. прямоуг. Br/Bm (%) | ||||||
Nominal | Nominal | Nominal | Min | Nominal | ±15% | Max | Min | |
MSK-09S-N (МН090704.5) | 10.7-5.5-6.3 | 25.0 | 3.5 | 1.8 | 93.6 | 3.9 |
25 |
94 |
MSK-10S-N (МН1007.304.5) | 11.9-5.8-6.3 | 27.0 | 4.7 | 2.2 | 137.8 | 5.3 | ||
MSK-12A-N (МН120804.5) | 14.0-6.6-4.8 | 31.0 | 4.7 | 1.9 | 176.8 | 5.2 | ||
MSK-12S-N | 14.0-6.6-6.3 | 31.0 | 7.0 | 2.8 | 268.6 | 7.9 | ||
MSK-15A-N (МН151204.5) | 16.7-10.5-6.3 | 42.2 | 5.3 | 1.6 | 513.3 | 5.9 | ||
MSK-15S-N | 16.9-8.6-6.5 | 38.7 | 8.8 | 2.8 | 578.2 | 9.8 | ||
MSK-18S-N | 19.8-10.4-6.4 | 46.5 | 10.5 | 2.8 | 1003.0 | 11.8 | ||
MSK-21S-N | 22.8-12.4-6.3 | 54.2 | 12.3 | 2.8 | 1669.8 | 13.8 |
- Внешний диаметр – внутренний диаметр – высота.
- При =50 Кгц, =1 В, = 25.
- 2Фm – Максимальный магнитный поток в магнитопроводе [мкВб]; Аw – Окно для обмотки [мм2].
в) По таблице 3 выбираем самый маленький по размеру магнитопровод, который удовлетворяет выражению (2).
Это – MSK-09S-N (МН090704.5).
г) После выбора магнитопровода, выбираем диаметр провода и число витков обмотки:
dпр ⩾ 0.5 √ I0 (мм)(3)
dпр ⩾ 0.5 √ 2 = 0.7 (мм)
д) Число витков N, рассчитывается по формуле:
N ⩾ (Vc × 3 × trr) / 2Фm (вит)(4)
Для MSK-09S-N по таблице 3 находим 2Фm = 3.9 мкВб. Подставляя значения в формулу 4, получим:
N ⩾ ( (24 / 0.3) × 3 × 60 × 10-9 ) / ( 3.69 × 10-6) (4 вит)
Выбираем целое значение N=4 вит.
Окончательный оптимальный выбор помехоподавляющего дросселя производится при практическом тестировании реальной схемы.
Рекомендации по применению цилиндрических помехоподавляющих магнитопроводов
Таблица 4 - Прямоходовой (форвард) конвертер
trr | Выходное напряжение | ||||
3.3 В | 5 В | 12 В | 15 В | 24 В | |
35 нСек | MSB-03A-N | MSB-03S-N | MSB-04S-N | MSB-04S-N | MSB-04B-N |
60 нСек | MSB-03S-N | MSB-04S-N | MSB-04S-N | MSB-04B-N | Многовитковый MSK |
Таблица 5 - Обратноходовой (фли – бак) конвертер
trr | Выходное напряжение | ||||
3.3 В | 5 В | 12 В | 15 В | 24 В | |
35 нСек | MSB-03A-N | MSB-03A-N | MSB-03S-N | MSB-04S-N | MSB-04S-N |
60 нСек | MSB-03A-N | MSB-03S-N | MSB-04S-N | MSB-04S-N | MSB-04B-N |
Ресурс: Журнал "Радио" 2003 г.
Применение малогабаритных помехоподавляющих магнитопроводов из аморфных металлических сплавов / Э. Фоченков // Радио. - 2003. - № 2. - С. 31-33. - (Радиолюбителю-конструктору)
Скачать статью .pdf - скан из журнала Радио