Импеданс реального конденсатора на низких частотах почти чисто емкостной. На средних частотах его импеданс определяется значением ESR, например, для ряда типов, около 0.12-0.4 Ома на частоте 125 кГц. На частотах, превышающих значение примерно 1 МГц, этот конденсатор становится индуктивным, в импедансе доминирует эффект ESL. У всех электролитических конденсаторов кривые изменения импеданса близки по форме к изображенной на рис. 10.34. Минимальный импеданс будет изменяться в зависимости от значения ESR, а диапазон индуктивного импеданса зависит от величины ESL (которая, в свою очередь, сильно зависит от конструкции корпуса).
Что касается катушек индуктивности, в фильтрах источников питания очень часто применяются ферриты — непроводящая керамика, производимая из оксидов никеля, цинка, марганца и других соединений (Приложение 9). На низких частотах (меньше 100 кГц), катушки с ферритовыми сердечниками обладают индуктивностью, поэтому они полезны в низкочастотных LC фильтрах. На частотах более 100 кГц импеданс катушки с ферритовым сердечником становится резистивным, что важно для разработки высокочастотных фильтров. Импеданс индуктивностей с ферритовыми сердечниками является функцией материала, диапазона рабочих частот, постоянного тока смещения, числа витков, размера, формы и температуры. В таблице на рис. 10.35 перечислены основные свойства феррита, а на рис. 10.36 показаны характеристики импеданса некоторых дросселей с ферритовыми сердечниками фирмы Fair-Rite (http://www.fair-rite.com).
ФЕРРИТЫ НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ФИЛЬТРОВ
• Ферриты эффективны на частотах выше 25 кГц
• Существуют ферритовые дроссели разных размеров и форм, в том числе в виде резистора с выводами
• Импеданс ферритового дросселя на высоких частотах преимущественно резистивный, что идеально для фильтра ВЧ
• Небольшие потери на постоянном токе: сопротивление провода, проходящего через феррит, очень невелико
• Существуют варианты с большим током насыщения
• Выбор зависит от:
♦ Источника и частоты помех
♦ Требуемого на частоте помех сопротивления
♦ Окружения: температуры, напряженности постоянного и переменного поля, имеющегося свободного места
• Всегда тестируйте проектируемое!
Рис. 10.35
Несколько производителей ферритов предлагают большой выбор ферритовых материалов самой различной формы, (см. Приложение 10 и 11). Наипростейшая форма — бусинка из ферритового материала, ферритовый цилиндр, который просто надевается на вывод питания для развязки. Также имеются ферритовые бусинки с выводами — это та же бусинка, уже установленная на кусочек провода и используемая как компонент (см. Приложение 11). Более сложные бусинки имеют много продольных каналов в цилиндре для улучшения развязки; существуют и другие варианты. Также существуют бусинки с выводами для монтажа на поверхность (SMD).
Для материалов Fair-Rite имеются модели PSpice, с их помощью можно оценить импеданс катушек с ферритовыми сердечниками (см. Приложение 2). Эти модели разработаны в соответствии с реально измеренным, а не теоретическим импедансом.
Полное сопротивление дросселей с ферритовыми сердечниками зависит от нескольких взаимно зависимых переменных и аналитическому расчету поддается с трудом, поэтому трудно напрямую подобрать требуемый феррит. Однако знание следующих характеристик сделает выбор проще. Во-первых, определите диапазон частот шума, который должен фильтроваться. Во-вторых, должен быть известен ожидаемый диапазон температур фильтра, т. к. импеданс дросселей с ферритовыми сердечниками изменяется в зависимости от температуры. В-третьих, должен быть известен максимальный постоянный ток, протекающий через дроссель, чтобы удостовериться, что феррит не войдет в насыщение. Хотя модели и другие аналитические средства могут подтвердить правильность предпосылок, приведенная выше общая последовательность выбора, подкрепленная несколькими экспериментами с реальным фильтром, с подключенной нагрузкой, соответствующей реальным условиям, должна привести к правильному выбору феррита.
При соответствующем выборе компонентов низко- и высокочастотные фильтры могут быть спроектированы так, чтобы сгладить шум на выходе ИИП и обеспечить пригодное для питания аналоговых схем 5-вольтовое питание. На практике лучше добиваться этого, используя две ступени (а иногда и больше), каждая ступень должна быть оптимизирована для определенного диапазона частот. Для всего постоянного тока нагрузки может быть использовано общее фильтрующее звено, фильтрующее шум на 60 dB или больше в диапазоне до 1-10 МГц. Этот главный фильтр используется как входной фильтр на печатной плате и обеспечивает широкополосную фильтрацию, общую для всех линий питания печатной платы. Прямо на выводах питания отдельных частей устройства используются более простые локальные фильтрующие звенья, чтобы обеспечить развязку на высоких частотах.