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Leitfaden für Rauschunterdrückungsfilter
Grundlagen der Rauschunterdrückung [Lektion 6] Gleichtaktdrosselspulen
Im Anschluss an die vorherige Diskussion über Chip-Dreipolkondensatoren werden wir in dieser Lektion Gleichtaktdrosselspulen besprechen.
<Gemeinsame Drosselspulen trennen Rauschen von Signalen durch Leitungsmodi>
In unseren früheren Ausführungen über Chip-Ferritperlen und Chip-Dreipolkondensatoren haben wir erklärt, wie sie Frequenzunterschiede nutzen, da die Rauschfrequenzen relativ höher sind als die Signalfrequenzen. Als solche fungieren sie als Tiefpassfilter, die selektiv nur Rauschen unterdrücken. Gleichtaktdrosselspulen sind ebenfalls eine Art Rauschfilter, aber sie nutzen keine Frequenzunterschiede, sondern trennen Rauschen und Signale durch Unterschiede in der Leitungsart. Daher müssen wir zunächst den Unterschied zwischen Gleichtakt- und Gegentaktspulen kennen lernen.
<Gemeinsame und unterschiedliche Betriebsarten>
Normalerweise fließt in der elektrischen Schaltung einer Leiterplatte der Strom, der aus einem bestimmten Teil herausfließt, über die Last in einen anderen Stromkreis und kehrt über einen anderen Weg auf der Leiterplatte zum Ursprung zurück. (In vielen Fällen ist der Rückweg die Massefläche der Leiterplatte.) Diese Art des Stromflusses wird als Differenzbetrieb (oder Normalbetrieb) bezeichnet.
Es gibt noch einen weiteren Leitungsweg, wenn auch nicht in Form eines eindeutigen Drahtes. Eine winzige Menge an Streukapazität wird zwischen den Drähten auf der Leiterplatte und der Bezugsmassefläche erzeugt, wodurch ein Leitungsweg entsteht, auf dem die Kapazität gemeinsam durch alle Drähte auf der Leiterplatte fließt und in der entgegengesetzten Richtung entlang der Bezugsmassefläche zurückkehrt. Dieser Weg wird als Gleichtakt bezeichnet.
Obwohl die Streukapazität zwischen den Drähten und der Bezugsmasse recht klein ist, sinkt die Impedanz mit steigender Signalfrequenz selbst bei der geringen Streukapazität, so dass der Gleichtaktstrom leichter fließt. Normalerweise wird der Gleichtaktstrom nicht aktiv durch den Stromkreis geschickt, aber wenn die Masse eines Stromversorgungsschaltkreises oder eines Treiber-ICs vibriert, vibriert der gesamte von ihm gesteuerte Schaltkreis, was zu Gleichtaktstörungen führt. Wenn ein Kabel extern mit dem Stromkreis verbunden ist, fließt auch ein Gleichtaktstrom durch das Kabel. Da das Kabel gegenüber der Erde ein elektrisches Potenzial hat, wird der Strom als Störfunkwellen abgegeben.
<Gleichstromdrosselspulen sind Rauschfilter, die nur auf Gleichtaktströme wirken>
Gleichtaktdrosselspulen sind Rauschfilter, die zwischen Signalen und Rauschen aus den oben genannten Gleichtakt- und Differenzmoden bzw. Leitungsmoden unterscheiden. Einfach ausgedrückt, handelt es sich um Filter, die nur auf Gleichtaktmoden wirken.
Abbildung 3 zeigt ein Prinzipdiagramm für Gleichtaktdrosselspulen.
Gleichtaktdrosselspulen bestehen aus zwei leitenden Drähten, die um einen einzigen Kern gewickelt sind (ein Ferritkern, wenn er in Hochfrequenzanwendungen verwendet wird). Sie haben daher vier Anschlüsse. Die Drähte sind in entgegengesetzter Richtung um den Kern gewickelt. Wenn Gleichtaktströme durch Spulen mit dieser Art von Struktur fließen, wird durch das Phänomen der elektromagnetischen Induktion, das in jeder Spule auftritt, ein Stromfluss erzeugt. Da die Richtung des erzeugten Flusses jedoch die gleiche ist, werden beide Flüsse stärker, was ihre Wirkung als Induktoren erhöht. Umgekehrt erzeugen Differentialströme, die durch die Spule fließen, Ströme in entgegengesetzten Richtungen, die sich gegenseitig aufheben. Infolgedessen wirkt sie nicht mehr als Induktivität gegen den Differenzstrom. Gleichtaktdrosselspulen sind daher Filter, die nur für Gleichtaktströme und nicht gegen Differenzströme als Induktivität wirken.
<Vorteile von Gleichtaktdrosselspulen>
Gleichtaktdrosselspulen haben zwei Vorteile.
(1) Selbst wenn sich die Frequenzen von Signalen und Rauschen überschneiden, ermöglichen ihre unterschiedlichen Leitungsmoden die Unterdrückung nur des Rauschens.
(2) Die Leistung nimmt auch bei einem hohen Differenzstrom nicht ab, da der Kern nicht gesättigt wird.
Die wichtigste Eigenschaft von Gleichtaktdrosselspulen ist ihre Fähigkeit, zwischen Rauschen und Signalen zu unterscheiden, selbst wenn diese die gleiche Frequenz haben. In letzter Zeit verwenden immer mehr elektronische Geräte die Hochgeschwindigkeits-Differenzialübertragung als Methode zur Übertragung von Signalen. USB, SATA und HDMI sind typische Beispiele für Hochgeschwindigkeits-Differenzialübertragungen. In Hochgeschwindigkeits-Differenzialübertragungsleitungen werden extrem hochfrequente Signale übertragen, und Filter wie Ferritperlen, die Rauschen und Signale durch Frequenzunterschiede trennen, können nicht zwischen den beiden unterscheiden. Die Betonung des Einflusses des Signals bedeutet, dass das Rauschen nicht sehr gut unterdrückt werden kann, aber die Konzentration auf die Rauschunterdrückung dämpft einen Teil des Signals und beeinflusst somit die Signalintegrität. Gleichtaktdrosselspulen hingegen trennen Signale und Rauschen mithilfe von Übertragungsmodi, so dass Hochgeschwindigkeitssignale, die durch die Spulen fließen, nicht beeinträchtigt werden, wenn es sich um Differenzmodi handelt. In Hochgeschwindigkeits-Differenzialübertragungsleitungen sind die Signale im Allgemeinen nur differenzielle Moden. Das problematische Rauschen ist meist Gleichtaktrauschen, so dass Gleichtaktdrosselspulen zur wirksamen Unterdrückung von Gleichtaktrauschen verwendet werden können, ohne dass Hochgeschwindigkeitssignale beeinträchtigt werden.
Die Kabel sind an die Stromleitungen der Unternehmen und an sekundäre Wechselstromadapter angeschlossen, die mit Strom versorgt werden. Diese Kabel werden zu Antennen, und das freigesetzte Rauschen wird zu einem Problem. Bei der Verwendung von Filtern in Form von Drosselspulen, die auf Differentialmodi wirken, wie z. B. Ferritperlen oder Normalmode-Drosselspulen, wird der Kern durch große Ströme, die hindurchfließen, magnetisch gesättigt, was zu einer drastischen Verringerung ihrer Leistung als Drossel führt. Gleichtaktdrosselspulen sind für diese Art von Anwendungen sehr nützlich. In Gleichtaktdrosselspulen tritt keine magnetische Sättigung auf, da sich die von den Differenzströmen erzeugten Flüsse gegenseitig aufheben und verschwinden. Gleichtaktdrosselspulen werden daher zur Unterdrückung von Störungen in Stromleitungen eingesetzt, durch die große Ströme fließen.
<Beispiele für Gleichtaktdrosselspulen >
Abbildung 5 zeigt einige Beispiele für Gleichtaktdrosselspulen.
Da Wechselstromleitungen unter Hochspannung stehen, wird bei der Konstruktion von Spulen für diese Leitungen besonders auf die Sicherheit geachtet. Da Hochgeschwindigkeitssignalleitungen dagegen kleinere Spulen erfordern, werden in diesen Anwendungen Chipspulen verwendet. Andere auf dem Markt erhältliche Spulen sind Wickeldrahtspulen, bei denen ein Draht um einen Ferritkern gewickelt wird, und Folienspulen, bei denen Folienspulen verwendet werden. Der Wickeldraht-Typ zeichnet sich durch hohe Leistung aus, während der Film-Typ eine geringere Größe aufweist. Abbildung 6 zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer Gleichtakt-Drosselspule vom Wickeldraht-Chip-Typ. Zwei Leitungen werden gemeinsam um die Spule gewickelt, so dass die abgehende Leitung und die rücklaufende Leitung nebeneinander liegen und die magnetische Kopplung zwischen den Leitungen zunimmt, um die Selektivität zwischen Gleichtakt- und Gegentaktmoden zu erhöhen.
<Vorsichtsmaßnahmen bei der Verwendung von Gleichtaktdrosselspulen>
In der bisherigen Diskussion wurde festgestellt, dass Gleichtaktdrosselspulen keinen Einfluss auf Differenzialmodi haben, aber das gilt nur für ideale Gleichtaktdrosselspulen. In der Realität wird ein Teil des von den gegenüberliegenden Spulen erzeugten Flusses nicht ausgelöscht, was zu einer geringen Induktivität führt. Diese Differenzialinduktivität ist sehr gering, aber ihr Einfluss muss bei Anwendungen, die extrem hochfrequente Signale verwenden, berücksichtigt werden. Abbildung 7 zeigt ein Beispiel für eine tatsächliche Impedanzkurve für eine Gleichtaktdrosselspule vom Chip-Typ. Wir wissen, dass die Impedanz im Differentialmodus bei etwa 1 GHz hoch wird. Kürzlich wurden Chip-Gleichtaktdrosselspulen entwickelt, die die differentielle Impedanz noch stärker unterdrücken. Für Display Ports, USB3.0 und andere Geräte, die extrem hochfrequente Signale verwenden, sollten geeignete Gleichtaktdrosselspulen vom Chiptyp gewählt werden.
Werfen Sie einen Blick auf den Leitfaden, den wir für die Auswahl von Chip-Gleichtaktdrosselspulen zur Verwendung in Hochgeschwindigkeits-Differenzialleitungen zur Verfügung gestellt haben.
Auswahlhilfe für Gleichtaktdrosselspulen für Hochgeschwindigkeits-Differenzialübertragungsleitungen
https://www.murata.com/products/emc/emifil/selectionguide/highspeed
*Die in diesem Artikel enthaltenen Informationen waren zum Zeitpunkt der Veröffentlichung aktuell. Bitte beachten Sie, dass sie von den neuesten Informationen abweichen können.
