Gleichtakt-Drosselspulen (Common Mode Choke Coils (CMCC) sind Filter zur Reduzierung des Gleichtaktrauschens, das in differenziellen Übertragungsleitungen (außerhalb des Automobilbaus: USB, HDMI, Mipi usw.; im Fahrzeugbau: CAN, CAN-FD, 100Base-T1, 1000Base-T1, SerDes, A2B® usw.), Stromleitungen und Audioleitungen problematisch ist.
In diesem Artikel von Tadashi Tanaka, Murata Product Engineering Section 3, Product Engineering Department, EMI Filter Division finden Sie Beispiele für Maßnahmen zur Reduzierung des Stromversorgungsrauschens unter Verwendung von Gleichtakt-Drosselspulen.
Elektronische Geräte bestehen aus mehreren Halbleiter- und Funktionsblöcken. Beide Arten von Komponenten müssen mit Strom mit der jeweils richtigen Spannung versorgt werden. In vielen Fällen sind unterschiedliche Spannung erforderlich. In diesen Fällen muss die Spannung mittels eines DC-DC-Konverters umgewandelt werden. Hierbei handelt es sich um einen Schaltkreis, der die Spannung der Stromversorgung in die für den Betrieb der elektronischen Komponenten erforderliche Spannung umwandelt.
Bei der Arbeit mit Komponenten, die unterschiedlichen Spannungen erfordern, stellen Größe und elektrische Leistung zwei wichtige Überlegungen dar. In diesen Fällen werden häufig DC-DC-Umschaltkonverter verwendet. Hierbei muss jedoch das Rauschen beachtet werden, das durch die Umschaltung verursacht wird. Wenn die Normen für die Rauschunterdrückung nicht erfüllt werden, sind Maßnahmen gegen das Rauschen erforderlich.
Ein Beispiel für eine Gegenmaßnahme gegen Stromleitungsrauschen
Dieses Beispiel für eine Gegenmaßnahme wurde mit einem typischen, nicht isolierten DC-DC-Abwärtskonverter (5 V zu 1,8 V, Pout = 27 W) mit einer Schaltfrequenz von 500 kHz erstellt.
Das Ziel besteht hier in der Unterstützung der allgemeinen Gerätenorm CISPR22 Class B (für Geräte in Wohnhäusern und Leichtindustrieumgebungen). Nach der Ermittlung, ob es sich beim Rauschmodus um Gegentakt- oder Gleichtaktrauschen handelte, wurden effektive Gegenmaßnahmen implementiert.
(1) Anschluss-Rauschspannung (150 kHz bis 30 MHz)
Die Gleichtaktspannung (Anschluss-Rauschspannung) wurde für eine einzelne Leitung in Bezug auf die Masse anhand einer Netznachbildung (Artificial Mains Network, AMN) gemessen. Wenn die Anschluss-Rauschspannung unter den Anfangsbedingungen gemessen wird, können wir für Vielfache (die Frequenz wird in n Vielfache konvertiert) der 500-kHz-Schaltfrequenz ein Rauschspektrum beobachten.
Abbildung 1. Anfängliche Anschluss-Rauschspannung
Vor Durchführung der Gegenmaßnahme erfolgte eine Modustrennung mittels Delta-LISN (Line Impedance Stabilization Network; Leitungsimpedanz-Stabilisierungsnetzwerk), um zu ermitteln, ob es sich primär um ein Gegentakt- oder ein Gleichtaktrauschen handelte. Wie in Abbildung 2 gezeigt, handelt es sich in diesem Fall primär um Gegentaktrauschen.
Abbildung 2. Rauschmodustrennung
Daher konnte der Rauschpegel bei Verwendung des Blockfilters EMIFIL® BNX029-01 deutlich reduziert werden. Dies liegt an dessen hoch effektiven Gegenmaßnahmen in Bezug auf Gegentaktrauschen.
Abbildung 3. Maßnahmen gegen Rauschen durch den Blockfilter EMIFIL®
Strahlungsrauschen (30 MHz bis 6 GHz)
Nach der Implementierung der oben beschriebenen Gegenmaßnahmen wurde das Strahlungsrauschen bei 10 m evaluiert, um die Intensität des in den Raum abgestrahlten Felds zu messen. Dabei wurde ein Strahlungsrauschen entdeckt, das die Rauschtoleranz nach CISPR22 Class B deutlich überschreitet (Abbildung 4).
Bei Untersuchung des Strahlungspfads stellte sich heraus, dass das Eingangskabel der Stromversorgung des DC-DC-Konverters als Antenne funktionierte und ein Rauschen in den umgebenden Raum abstrahlte.
Abbildung 4. Anfänglicher Strahlungsrauschpegel
Da der BNX029-01 ein Gegentaktrauschen für ein breites Frequenzband von 100 kHz bis 1 GHz entfernen kann, musste es sich beim verbleibenden Rauschen um Gleichtaktrauschen handeln.
Durch die Einführung der Gleichtakt-Drosselspule PLT10HH9016R0PN zur Reduzierung des Gleichtaktrausches konnte der Strahlungsrauschpegel deutlich gesenkt wurden, sodass er die Rauschtoleranz nach CISPR22 Class B erfüllt. Daraus konnte gefolgert werden, dass es sich beim Strahlungsrauschen primär um ein Gleichtaktrauschen handelte (Abbildung 5).
Abbildung 5. Maßnahmen gegen Rauschen durch eine Gleichtakt-Drosselspule
Gleichtakt-Drosselspulen für Stromleitungen
Murata Manufacturing Co., Ltd. bietet zahlreiche Komponenten mit verschiedenen Größen und Eigenschaften an, um die Anforderungen der jeweiligen Kundenanwendungen optimal zu erfüllen (Tabelle 1).
| Produktname | Größe | Gleichtakt- impedanz | Nennstrom *1 | Nenn- spannung |
|---|---|---|---|---|
DLW5BTM***TQ2 |
5,0 x 5,0 mm T = 2,5 mm max. |
100 Ω bis 1400 Ω bei 100 MHz |
6 A bis 2 A | 50 VDC |
PLT5BPH******SN |
5,0 x 5,0 mm T = 5,0 mm max. |
100 Ω bis 500 Ω bei 100 MHz |
5,6 A bis 3,1 A | 80 VDC |
PLT10HH******PN |
12,9 x 6,6 mm T = 9,3 mm max. |
45 Ω bis 100 Ω bei 10 MHz |
18 A bis 15 A | 300 VDC |
| 400 Ω bis 1000 Ω bei 10 MHz | 10 A bis 6 A | 100 VDC |
Tabelle 1. Gleichtakt-Drosselspulen
*1 Für den Nennstrom ist ein Derating konfiguriert. Details hierzu finden Sie in den Spezifikationen für die einzelnen Produkte.
*2 Die Betriebstemperatur ist für die einzelnen Produkttypen unterschiedlich. Details hierzu finden Sie in den Spezifikationen für die einzelnen Produkte.
Zusammenfassung
Bei der Implementierung von Maßnahmen gegen Rauschen ist es äußerst wichtig, zu ermitteln, ob es sich beim Rauschmodus um Gleichtakt- oder Gegentaktrauschen handelt. Murata bietet Gleichtakt-Drosselspulen aller Größen für Stromleitungen an, die den nötigen hohen Nennstrom und die nötige hohe Einfügungsdämpfung bieten, um sie zu idealen Rauschunterdrückungsprodukten für Ihre Stromversorgungsschaltkreise zu machen.
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