что такое синфазные помехи

Термины: Сигналы синфазный и противофазный (дифференциальный)

При описании распространения сигнала или помехи в электропроводной среде часто употребляются термины синфазный (СФ) и противофазный (ПФ). Эти термины употребляются тогда, когда в рассматриваемой системе есть две точки (два полюса) приложения сигнала (помехи): условно X и Y, как показано на рисунке. СФ сигнал действует с одной и той же фазой на точки X и Y приложения сигнала относительно условного нуля или некой третьей опорной или общей точки. ПФ сигнал действует с противоположной фазой (противоположным знаком) на точки X и Y приложения сигнала относительно внешней среды. Поэтому, противофазный сигнал также часто называют дифференциальным, подразумевая его «разностную» сущность.

При рассмотрении напряжений в рассматриваемых точках электропроводной среды помеха приложена синфазно, а полезный сигнал – противофазно, как это бывает в случае дифференциальных или симметричных цепей.

Некоторые функциональные узлы электрических схем (например дифференциальный приёмник сигнала, трансформатор, схемы гальваноразвязки на разных физических принципах) могут подавлять синфазный сигнал, а пропускать противофазный. В противоположность этому: линейные мостовые балансные схемы способны значительно скомпенсировать противофазный сигнал по отношению к синфазному.

Ярким примером раздельной аналоговой обработки синфазной и противофазной составляющих сигнала является стандартная схема гальваноразвязки Ethernet, в которой прослеживаются разные пути распространения СФ и ПФ сигналов.

При анализе дифференциальных электрических цепей обычно рассматривают две эквивалентные электрические схемы: для СФ и ПФ сигналов раздельно, подразумевая линейное разложение сигнала на эти две составляющие (0,5*(Х + Y) и X-Y, соответственно, если X и Y – это фазные напряжения, как показано на рисунке выше). Как следствие этого анализа, в частности, возникает необходимость описания электрических свойств дифференциального входа или дифференциального выхода для СФ и ПФ сигналов отдельно: диапазона, входного или выходного сопротивления, характеристик пропускания или подавления на определённых частотах и т.д. С этой точки зрения, мгновенные значения СФ и ПФ сигналов дифференциальной или симметричной цепей можно рассматривать как две координаты при описании мгновенного состояния физического сигнала в двумерном пространстве.

Использование терминов

Термины используются при описании свойств дифференциального входа, например, в документации следующих измерительных модулей АЦП, имеющих дифференциальные входы:

Разрядность: 14 бит
Частота преобразования 400 кГц суммарно
Каналов: 16 дифференциальных/ 32 с общей землей
Диапазоны: ±0,15 В…±10 В

Модуль АЦП универсальный
16/32 каналов, 14 бит, 400 кГц

LTR11

Разрядность: 24 бита
Частота преобразования до 78 кГц на канал
Каналов: 8 для ICP-датчиков
Питание датчиков: источник тока 2,86 / 10 мА

Модуль АЦП для ICP датчиков
8 каналов, 24 бит, 78 кГц

LTR25

Разрядность: 24 бита
Частота преобразования до 117 кГц на канал
Каналов: 4 дифференциальных + 4 для ICP-датчиков или тензорезисторов
Диапазоны: ±2 В…±10 В

Модуль АЦП универсальный
4 канала, 24 бит, 117 кГц

LTR24

АЦП: 16 бит; 16/32 каналов;
±0,2 В…10 В; 2 МГц
ЦАП: 16 бит; 2 канала; ±5 В; 1 МГц
Цифровые входы/выходы:
17/16, ТТЛ 5 В
Интерфейс: USB 2.0 (high-speed), Ethernet (100 Мбит)
Гальваническая развязка.

Модуль АЦП/ЦАП
16/32 каналов, 16 бит, 2 МГц, USB, Ethernet

E-502

АЦП: 16 бит; 16/32 каналов;
±0,2 В…10 В; 2 МГц
ЦАП: 16 бит; 2 канала; ±5 В; 1 МГц
Цифровые входы/выходы:
18/16 TTL 5 В
Интерфейс: PCI Express

Плата АЦП/ЦАП
16/32 каналов, 16 бит, 2 МГц, PCI Express

L-502

АЦП: 14 бит; 16/32 каналов;
±0,15 В…10 В; 200 кГц
ЦАП: 16 бит; 2 канала; ±5 В; 200 кГц
Цифровые входы/выходы:
16/16 TTL 5 В
Интерфейс: USB 2.0

Модуль АЦП/ЦАП
16/32 каналов, 14 бит, 200 кГц, USB

E14-140M

АЦП: 14 бит; 16/32 каналов;
±0,156 В…10 В; 400 кГц
ЦАП: 12 бит; 2 канала; ±5 В; 8 мкс
Цифровые входы/выходы:
16/16 TTL 5 В
Интерфейс: USB 2.0

Модуль АЦП/ЦАП
16/32 каналов, 14 бит, 400 кГц, USB

Источник

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

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

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

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».

Источник