Рис. 5.22.
Как мы видели в п 5.5.3, синфазные токи приводят к превышению норм паразитного излучения при гораздо меньших величинах, чем дифференциальные. И если отдельных мер по подавлению излучения дифференциальных токов может и не потребоваться, то практически любая линия или кабель должны сразу делаться с учетом требований по подавлению излучения синфазных токов.
Для синфазных токов линия представляет собой один провод (п. 5.5.1). Вторым проводником, замыкающим синфазный ток, является земля или корпус прибора. Следовательно, площадь контура протекания синфазного тока оказывается значительной (рис. 5.18, 5.19). Поэтому, даже совсем маленькие синфазные токи могут давать излучение выше норм.
Дело осложняется тем, что ни один из вышеописанных в п. 5.5.4.1 способов подавления излучения дифференциального тока не оказывает никакого влияния на синфазные токи. Способы 1, 2 и 4 направлены на сближение потенциала проводов линии. Но по синфазному току эти потенциалы равны по определению. Способ 3 (экранирование) теоретически кажется хорошим. Это если найти землю с нулевым ВЧ напряжением с обоих концов кабеля. На практике же синфазные токи легко текут по внешней стороне экранов, не замечая наших усилий по экранированию (подробнее см. п. 5.6). Например, в коаксиальных кабелях синфазный ток протекает по внешней стороне оплётки. Поэтому по синфазному току экран часто не столько помогает, сколько служит эффективным излучателем для этого тока. Особенно, если в длинах волны размеры экрана заметны.
Излучение синфазных токов рассматриваемым кабелем зависит от того, сколько еще и каких других кабелей и заземлений подключено к нашему прибору. Ведь синфазный ток – это фактически антенной ток. Но антенной является не только рассматриваемый кабель, а весь комплекс: прибор, подключенные к нему кабеля, линии и заземления. И вполне возможна ситуация, когда прибор, прошедший испытания на помехи с подключенным к нему единственным штатным кабелем (например, внешний импульсный блок питания), при подключении к нему других кабелей в нормы уже не укладывается. Причем по-другому (больше) излучает тот же самый кабель, который будучи единственным «светил» в пределах нормы. Причина: размеры антенны для синфазных токов увеличились при подключении других кабелей.
Чтобы ослабить синфазный ток следует поставить на его пути (т.е. на всех проводах линии) что-то, обладающее высоким импедансом. Тут вариантов всего два: или малая емкость, или большая индуктивность. При этом надо не нарушить протекание дифференциального тока (для него наша линия ведь и предназначена).
Малой емкостью для синфазного тока в двухпроводной линии является развязывающий трансформатор. Точнее говоря, малая емкость между обмотками такого трансформатора. Эта емкость встает на пути синфазного тока Минусы этого способа подавления синфазных токов:
подходит только для двухпроводных линий с высокочастотными дифференциальными (полезными) сигналами.
Подавление падает с частотой, т.к. снижается реактивный импеданс межобмоточной емкости.
Второй способ подавления синфазного тока линии – поставить на его пути большую индуктивность. Для этого всей линией, как одним проводом мотается (обычно на ферромагнитном сердечнике) дроссель, называемый развязывающим. Такие дроссели очень эффективны против синфазных токов и потому широко применяются. Но (как и у всего на свете) у него есть свои недостатки и ограничения.
Идеальный развязывающий дроссель не должен никак влиять на полезные (дифференциальные) токи в линии. Полностью это выполняется лишь в единственном случае: дроссель намотан коаксиальным кабелем, передающем ВЧ дифференциальные токи. Из-за скин-эффекта дифференциальные токи оплётки протекают только по её внутренней стороне, не выходя наружу. Поэтому любое действие с наружной стороной оплётки (например, накручивание её на феррит) на дифференциальные ВЧ токи в коаксиальном кабеле никак не повлияет (это справедливо только при качественной оплётке, не пропускающей дифференциальные токи наружу), т.к. они экранированы внешней стороной оплётки. А вот для синфазного тока по внешней стороне оплетке витки на феррите будут индуктивностью. Если сделать реактивное сопротивление этой индуктивности большим, то для синфазных токов это будет препятствием.
Но развязывающие дроссели используют и на неэкранированных линиях, например, двухпроводных. Тут на ферритовый сердечник дросселя прямо намотаны провода с дифференциальным током. Их ничто не экранирует. Любой провод, намотанный на феррите, должен иметь заметную индуктивность. Провода двухпроводной линии – не исключение. Тогда как получается, что развязывающий дроссель не влияет (при правильной его работе, см. ниже) на дифференциальные токи в линии?
Обратимся к рис. 5.22, на котором изображена двухпроводная линия с развязывающим дросселем (проводов в такой линии может быть несколько пар, принцип от этого не меняется).
На рис. 5.22 а) показана работа развязывающего дросселя по дифференциальному току. Представим это дроссель в виде трансформатора с индуктивностью каждой обмотки L и взаимной (наведенной) индуктивностью между обмотками M. Если обмотки одинаковы, а взаимная связь между ними сильна и остаётся стабильной в широкой полосе, то L = M.
В правой части рис. 5.22 а) дана эквивалентная схема развязывающего дросселя по дифференциальному току. Видно, что дроссель практически не влияет, т.к. L – M = 0. В линию добавляется только малое омическое сопротивление обмоток. Магнитные поля от обеих обмоток направлены встречно и взаимно компенсируют друг друга, поэтому можно не опасаться насыщения сердечника даже при больших ифференциальных токах.
Для синфазных токов поля взаимной индукции обмоток складываются, поэтому индуктивность каждой обмотки возрастает на величину M и составит около 2L. При параллельном соединении (а по синфазному току они соединены именно параллельно) общая индуктивность уменьшиться вдвое, т.е составит L. Реактивное сопротивление дросселя будет 2πfL т.е. большим. Кроме того, в импеданс каждой из обмоток добавляется еще сопротивление потерь R(f) в сердечнике, зависящее от частоты.
Получается, по синфазному току дроссель имеет большое реактивное сопротивление, а по дифференциальному току близкое к нулю?
Не совсем. Всё вышеприведённое справедливо, если взаимная индуктивность между обмотками M равна или почти такая же, как собственная индуктивность обмоток L. А если M не равно L, то сопротивление дросселя по дифференциальному току L – M становится больше нуля.
В реальном ферромагнитном сердечнике с повышением частоты возрастают активные потери и снижается магнитная проницаемость (п. 3.4). В развязывающем дросселе это приводит к двум эффектам:
В каждом из магнитных полей от каждого из дифференциальных токов линии появляются тепловые потери. Энергия на это отбирается от дифференциальных токов. Это соответствует внесению активного сопротивления потерь в дифференциальные токи. Т.е. возрастанию потерь полезного сигнала, передаваемого по линии.
Поскольку провода линии разнесены в пространстве, то создаваемые ими отдельные магнитные поля не вполне симметричны относительно сердечника (например, один провод ближе к левому краю сердечника, другой – к правому). Если сердечник эффективно работает на рассматриваемой частоте (он высокочастотный, его домены двигаются много быстрее периода нашего колебания (п. 3.4), то асимметрия ни к чему плохому не приведёт. Все домены во всем сердечнике будут двигаться практически одновременно (на нашей частоте). А вот если они опаздывают, то магнитные поля от разных сторон сердечника уже не компенсируются полностью. Просто не могут, т.к. они уже не одновременны, т.е. между ними возникает фазовый сдвиг. То есть взаимная индуктивность между обмотками М становится меньше L. Некомпенсированное магнитное поле приводит к индуктивности (т.е. реактивности), вносимой в дифференциальные токи.
На рис. 5.23 показаны измеренные значения дополнительных дифференциальных активного и реактивного сопротивления, вносимых в двухпроводную витую пару с волновым сопротивлением 110 Ом (такие используются для компьютерных сетей), при надевании на неё ферритовой защелки 1 с рис. 5.9.
Видно, что ниже 150 МГц наш развязывающий дроссель из ферритовой защелки почти никак себя не проявляет: почти ноль активного сопротивления и меньше +J5 реактивного. То есть при передаче по такой витой паре импульсов с фронтами больше 7 нс влияние дросселя не ощущается.
А вот попытка передать по такой же линии импульсы с фронтами 3 нс обречена на провал. Реактивный импеданс +J45 Ом на 300 МГц рассогласует линию и приведет к появлению "звона" на фронтах, что с высокой степенью вероятности приведет к ложным срабатываниям и сбоям данных. Да и добавочное активное сопротивление 27 Ом передаваемый сигнал не украсит.
По рис. 5.23 отчетливо видно, что проблемы с данным сердечником начинаются выше 150 МГц. Взглянув на график 1 рис. 5.9, относящийся к этому сердечнику, мы увидим, что 150 МГц это примерно та частота, с которой частотные свойства сердечника начинают ухудшаться.
Вывод: верхняя рабочая частота сердечника развязывающего дросселя должна быть не ниже верхней частоты полезных дифференциальных сигналов в линии (это не относится к коаксиальным и экранированным линиям с ВЧ сигналами).
Поэтому применяя развязывающий дроссель в линии с высокочастотными или скоростными сигналами надо следить за тем, чтобы его импеданс по дифференциальному току на верхней рабочей частоте (для цифровых сигналов определяется фронтом импульса) не превышал бы допустимого для этой линии значения.
Пример.
Двухпроводная печатная линия с волновым сопротивлением 90 Ом передаёт по плате прибора сигналы от входного USB разъема к микросхеме USB контроллера. Длительность фронтов импульсов 5 нС, т.е. спектр до 200 МГц. Поскольку неизвестно какие USB кабеля будут подключаться, к прибору то на плате был поставлен SMD двухобмоточный развязывающий дроссель между входным разъемом и контроллером. Импеданс дросселя по синфазной составляющей на частоте 200 МГц составлял 800 Ом. Казалось бы, это хорошо. Но из-за столь высокого импеданса по синфазной составляющей получался довольно заметный импеданс и по дифференциальной составляющей. Он составлял около 30 Ом на 200 МГц и был почти чисто индуктивным. Из-за этого в 90-омной линии USB появлялось заметное рассогласование и на передаваемых импульсах наблюдались выбросы до 1/3 от напряжения питания. Это приводило к сбоям в работе USB порта. Проблема была решена установкой другого дросселя с вдвое меньшим импедансом.
Но вернемся к основной задаче развязывающего дросселя: создать максимальный реактивный импеданс на пути синфазного тока. Индуктивность развязывающего дросселя должна выбираться из следующих соображений:
1. Она должна быть настолько большой, чтобы на низшей подавляемой частоте иметь реактивный импеданс как минимум в несколько (4 …10) раз выше, чем дифференциальное сопротивление между проводами линии.
2. Собственная резонансная частота дросселя (см. рис. 5.8 и 5.9) должна быть не намного ниже верхней подавляемой частоты.
В случае очень широкой полосы подавляемых частот (цифровые высокоскоростные линии, например) одновременное выполнение обоих требований может быть проблематичным.
Если развязывающий дроссель содержит несколько витков линией на ферритовом кольце, то лучше мотать его линией, сразу в два провода, так чтобы обмотки лежали одна на другой. В этом случае связь между ними на высоких частотах будет идти не через сердечник, а через электромагнитное поле между проводами линии, т.е. будет стабильной в гораздо более широкой полосе. Это та же самая причина, по которой широкополосные ВЧ трансформаторы на феррите намотаны либо коаксиальным кабелем, либо плотно скрученными проводами и никогда не имеют отдельных обмоток в разных частях сердечника. В этом случае взаимная индуктивность M будет более стабильной на высоких частотах.
Если же обмотки дросселя намотать по отдельности в разных половинах низкочастотного ферритового кольца, то связь между ними будет только через материал сердечника, т.е. падать с частотой соответственно свойствам сердечника. Такой дроссель будет иметь для дифференциальных токов импеданс, быстро возрастающий с частотой (т.к. М будет падать, а разность L – M расти).
Впрочем, намотка развязывающего дросселя отдельными обмотками в разных частях сердечника может быть даже полезна, если в линии не предполагается полезных высокочастотных дифференциальных токов. Например, сетевой шнур выше 50 Гц не должен иметь никаких высокочастотных токов, ни синфазных, ни дифференциальных. И, намотав развязывающий дроссель отдельными обмотками в разных частях кольца, мы подавим не только синфазные, но и дополнительно еще и дифференциальные ВЧ токи.
Подавление излучения кабелей импульсных источников питания настолько актуально, что этой теме придется посвятить весь следующий параграф.