Gleichtaktdrosseln – Die richtige auswählen

Gleichtaktdrosseln (CM-Drosseln, auch bekannt als Netzfilter) werden häufig in Schaltnetzteilen (SMPS) verwendet, um leitungsgebundene und abgestrahlte Störungen zu unterdrücken, wie es erforderlich ist, um die Anforderungen der internationalen Standards für elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu erfüllen.

Das fertige Produkt sollte keine ernsthafte elektromagnetische Verschmutzung in das öffentliche elektromagnetische Netz einbringen und gleichzeitig vor elektromagnetischen Störungen geschützt sein, die von derselben Umgebung ausgehen. Besonders erwähnenswert ist, dass wenn die leitungsgebundenen Störungen (für den in EMV-Normen festgelegten Frequenzbereich von 150kHz bis 30MHz) effektiv beherrscht werden können, auch die abgestrahlten Störungen gedämpft werden können (für Störfrequenzen > 30M MHz). Daher ist es entscheidend, die geeigneten Gleichtaktdrosseln basierend auf der Stärke und Frequenz der elektromagnetischen Interferenz zu entwerfen und auszuwählen, damit SMPS die entsprechenden Standards erfolgreich erfüllen. Je effektiver und schneller dies geschehen kann, desto weniger Zeit und Kosten werden benötigt, um ein neues Produkt auf den Markt zu bringen.

Es scheint, dass die beliebteste Methode zur Auswahl einer CM-Drossel darin besteht, sich für eine geeignete Grenzfrequenz eines L-Cy-Tiefpassfilters zu entscheiden. Dies zielt darauf ab, das leitungsgebundene Rauschen in einem bestimmten Frequenzbereich stark zu reduzieren. Aber um den Leckstrom des Produkts zu begrenzen, ist es offensichtlich nicht wünschenswert, den Wert des Y-Kondensators (Leitungs-Erde-Kondensator) zu groß zu gestalten, da dies dazu führt, dass die Induktivität der CM-Drossel so hoch wie möglich sein muss. Der Nachteil dabei ist, dass je höher der Induktivitätswert der Drossel ist, desto größer ihre physische Größe ist und Ingenieure daher zu einem kostspieligen Kompromiss gezwungen werden, da CM-Drosseln im Allgemeinen ein sehr begrenzter Platz in der SMPS-Schaltung zugewiesen wird. Daher müssen sie am Ende eine CM-Drossel finden, die in den kleinen zugewiesenen Raum passt, und können dies nur tun, indem sie einen Kern mit höherer Permeabilität verwenden, was mit höheren Kosten verbunden ist. Es gibt einen besseren Weg!

Üblicherweise in CM-Drosseln verwendete Kerne werden im Allgemeinen aus Materialien mit hoher Permeabilität hergestellt, beginnend bei einer Permeabilität von 5000 (5 K) und bis zu 7000 (7 K), 10.000 (10 K) oder sogar höher in MnZn-Ferritmaterialien. Die wichtige Frage lautet: „Ergibt die höhere Induktivität einer CM-Drossel ein besseres Ergebnis bei der Unterdrückung von/und der Immunität gegenüber EMI?“

Um einen Einblick in diese Problematik zu erhalten, wurden zunächst CM-Drosseln mit unterschiedlichen Kernmaterialien untersucht. In den Testproben wurden Ringkerne, Drahtstärke und Windungszahl mit identischer Größe verwendet. Es wurden drei Sätze dieser Proben hergestellt, die nur durch das Kernmaterial mit einer anfänglichen Permeabilität von 5 K, 7 K bzw. 10 K unterschieden wurden. Ein Impendenzanalysator wurde verwendet, um Frequenzen von 10 kHz bis 120 kHz auf einer einzelnen Wicklung dieser Gleichtaktdrosseln zu wobbeln. Die erhaltenen Induktivitäts- und Impedanzfrequenzcharakteristiken sind in Abbildung 1 bzw. Abbildung 2 gezeigt.

Die Ergebnisse aus Abb. 1 zeigen, dass die Induktivität proportional zur anfänglichen Permeabilität des Kernmaterials ist. Je höher die Anfangspermeabilität des Kernmaterials ist, desto höher ist die Induktivität der CM-Drossel bei gleicher Windungszahl und gleicher Kerngröße. Die Induktivität einer 10K-Materialdrossel hat fast die doppelte Induktivität einer 5K-Materialdrossel, wenn die Drossel unter 100kHz arbeitet, während die Induktivität einer 7K-Drossel im gleichen Frequenzbereich nur geringfügig höher ist als die der 5K-Materialdrossel.

Aber die Impedanzmessungen spiegeln nicht die Leistung der Induktivitätsergebnisse wider, wie in Abb. 2 gezeigt. Die höhere Anfangspermeabilität des Kernmaterials ergibt nicht immer eine höhere Impedanz. Die beste Geräuschdämpfung fällt auf das 7K-Material, das den höchsten Impedanzwert bei der Frequenz zwischen 300 kHz und 400 kHz hat. Dieser Frequenzbereich ist die optimale Arbeitsfrequenz des 7K-Kernmaterials. Das 5K- und 10K-Material haben sehr ähnliche Spitzenimpedanzwerte, treten aber in unterschiedlichen optimalen Frequenzbereichen auf. Die 5K-Materialdrossel hat ihre Spitzenimpedanz bei einer Frequenz um 400 kHz, aber die 10K-Materialdrossel hat eine Spitzenimpedanz im Bereich zwischen 200 kHz und 300 kHz. Wenn das Kernmaterial eine höhere Anfangspermeabilität hat, hat die Drossel eine stärkere Fähigkeit, niederfrequente Gleichtaktstörungen zu unterdrücken. Wenn die Frequenz höher als 200 kHz ist, führt die 7K-Drossel die Impedanz allmählich über die 5K- und 10K-Materialien. Die 7K-Materialdrossel hat jedoch eine scharfe glockenförmige Kurve im Vergleich zu den 5K- und 10K-Materialien, deren Impedanzkurven in der Nähe der Spitzenimpedanzwerte viel glatter sind.

Hier zeigt sich also ein starker Hinweis darauf, dass bei der richtigen Auslegung und Auswahl einer CM-Drossel nicht nur die Induktivität, sondern auch der Frequenzbereich, in dem die Störfrequenz auftritt, berücksichtigt werden sollte. Daher sollte das geeignete Kernmaterial gewählt werden, um ein optimales EMV-Unterdrückungsergebnis zu erzielen, ohne die Komponente zu überdimensionieren oder teurere Materialien höherer Qualität zu verwenden.

Um ähnliche Induktivitäten auf gleich großen Ringkernen mit unterschiedlichen Kernmaterialien zu erhalten, wurden die CM-Drosseln dann mit unterschiedlichen Windungszahlen bei gleichem Drahtquerschnitt gewickelt. Hier zielen wir auf Drosseln mit Induktivität im Frequenzbereich von 10kHz bis 100kHz ab. Die Leistung dieser CM-Drosseln ist in Abb. 3 bzw. Abb. 4 dargestellt.

Die in Abb. 3 gezeigten Induktivitätskurven geben die optimale Betriebsfrequenz der verschiedenen Materialien wieder. Die Frequenz, die der Induktivität bei Null in Abb. 3 entspricht, stimmt mit der Frequenz überein, bei der die maximale Impedanz in Abb. 4 auftritt. (Anmerkung: Die Frequenz an diesem Punkt wird als Nullphasenwinkel-(ZPA)-Frequenz bezeichnet.)

Es ist wohlbekannt, dass eine höhere Anzahl von Windungen erforderlich ist, damit ein Kern mit niedrigerer Permeabilität die äquivalente Induktivität eines Kerns mit höherer Permeabilität hat. Wenn die Anzahl der Windungen erhöht wird, ist das Ergebnis eine erhöhte Induktivität UND Kapazität, wobei letztere langsamer ansteigt, wie in Fig. 3 zu erkennen ist.

Die Impedanzkurven in Abb. 4 veranschaulichen, dass je höher die Anzahl der Windungen an einer CM-Drossel ist, desto stärker ist die Störungsminderungsfähigkeit der Drossel. Der Spitzenimpedanzwert des 5K-Materials ist fast doppelt so hoch wie der des 10K-Materials, obwohl ihre Induktivität ziemlich ähnlich ist. Die höhere Windungszahl bedeutet auch einen Anstieg des Kupferverlusts in der Drossel, was sie weniger attraktiv macht, da die Gesamtprodukteffizienz immer ein Schlüsselfaktor ist. Andererseits ist die optimale Frequenzspanne für verschiedene Kernmaterialien völlig unterschiedlich.

Unter den drei Arten von CM-Drosseln hat die 5K-Kernmaterialdrossel die schärfste Form. Die optimale Frequenzspanne (Bandbreite) der 10K-Kernmaterialdrossel ist breiter und wir empfehlen dringend ihre Verwendung in SMPS-Schaltungen, die Störungen in einem viel niedrigeren Frequenzbereich übertragen haben. Es ist also klar, dass das Kernmaterial den störungsmindernden Frequenzbereich bestimmt, während die Anzahl der Windungen sein störungsminderndes Vermögen bestimmt.

In Anbetracht der Gesamtleistung dieser CM-Drosseln hat das 7K-Material nicht nur die bessere Leistung im Hochfrequenzband als das 5K-Material gezeigt, sondern auch ein breiteres Frequenzband zur Störungsminderung, ähnlich der Leistung des 10K-Materials. Daher sollten die 7K-Kernmaterialdrosseln die ersten sein, die von Konstrukteuren in Betracht gezogen werden.

Sollten Sie eine CM-Drossel benötigen, beziehen Sie sich bitte auf die Kurven in Abb. 5 oben, die unseren „Standard“-CM-Drosselprodukten entsprechen.

Tabelle I enthält weitere Einzelheiten zu unseren Standard-CM-Drosseln. Wenn Sie eine außerhalb dieser Tabelle benötigen, können wir Ihnen eine kundenspezifische Drossel für Ihre Anwendung liefern.

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