eng
Выпуск #6/2023
Д. Махин, А. Сизиков
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ В ЦЕПЯХ ПИТАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ФИЛЬТРОВ Б36
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПОДАВЛЕНИЯ ПОМЕХ В ЦЕПЯХ ПИТАНИЯ С ПОМОЩЬЮ ФИЛЬТРОВ Б36
Просмотры: 563
DOI: 10.22184/1992-4178.2023.227.6.66.69
Описываются конструкция проходных трехконтактных фильтров и преимущества, которыми они обладают в сравнении с классическими многослойными керамическими чип-конденсаторами при подавлении помех по цепям питания. Приводятся характеристики фильтров серии Б36 производства ООО «Кулон».
Ключевые слова: подавление помех, цепи питания, проходные керамические фильтры, эквивалентная последовательная индуктивность, эквивалентное последовательное сопротивление
Описываются конструкция проходных трехконтактных фильтров и преимущества, которыми они обладают в сравнении с классическими многослойными керамическими чип-конденсаторами при подавлении помех по цепям питания. Приводятся характеристики фильтров серии Б36 производства ООО «Кулон».
Ключевые слова: подавление помех, цепи питания, проходные керамические фильтры, эквивалентная последовательная индуктивность, эквивалентное последовательное сопротивление
Теги: atomic force microscopy cantilever console equivalent series inductance equivalent series resistance feedthrough ceramic filters keywords: noise suppression needle power supply circuits атомно-силовая микроскопия игла кантилевер консоль
Повышение качества подавления помех в цепях питания с помощью фильтров Б36
Д. Махин 1, А. Сизиков 2
В 2020 году завод «Кулон» – один из ведущих российских производителей керамических пассивных электронных компонентов – завершил разработку линейки проходных помехоподавляющих фильтров для поверхностного монтажа Б36. Сейчас предприятие выпускает данные компоненты серийно. В статье описываются конструкция проходных трехконтактных фильтров и преимущества, которыми они обладают в сравнении с классическими многослойными керамическими чип-конденсаторами при подавлении помех по цепям питания, а также приводятся характеристики фильтров серии Б36 производства ООО «Кулон».
Подавление помех в цепях питания с помощью блокировочных конденсаторов
С увеличением рабочих частот, снижением напряжения питания и ростом потребляемой мощности в современных электронных устройствах особую актуальность приобретает защита от помех по цепям питания. В момент переключения состояния цифровые схемы образуют импульсную помеху в цепи питания, которая может негативно сказаться на соседних компонентах и привести к ошибкам в их работе.
Подобного рода помехи возникают из-за активного и индуктивного сопротивления проводников, связывающих нагрузку, в роли которой выступает цифровая схема, с источником питания. Для борьбы с этим явлением используют конденсаторы, установленные между общей шиной и проводником питания, называемые блокировочными, поскольку они блокируют распространение помехи от нагрузки за счет того, что их сопротивление на высоких частотах мало, и импульсная помеха ими шунтируется. При этом на постоянную составляющую напряжения они влияния практически не оказывают, так как их сопротивление при нулевой частоте (постоянном токе) велико, в идеале – бесконечно. Принцип работы блокировочных конденсаторов упрощенно показан на рис. 1.
На качество подавления помех в цепях питания влияют паразитные параметры конденсаторов, в особенности на высоких частотах. Уменьшение данного влияния в некоторых случаях достигается за счет применения материалов с лучшими свойствами, но в значительной степени улучшить подавление помех можно с помощью конструкторских решений. Это привело к созданию специализированных конденсаторов, предназначенных именно для этой цели, в частности – трехконтактных проходных керамических фильтров.
Паразитные параметры конденсаторов и их влияние на подавление помех в цепях питания
Модуль импеданса идеального конденсатора имеет чисто емкостной характер и определяется известной формулой:
(1)
где f – частота, C – емкость конденсатора.
Поскольку из этой формулы следует, что сопротивление на низких частотах тем меньше, чем больше емкость конденсатора, а любая составляющая сигнала в цепи питания со сколь угодно низкой частотой, отличной от нуля, является помехой, чем больше емкость конденсатора, тем лучше с точки зрения подавления помех.
Однако если исследовать зависимость модуля импеданса реального конденсатора от частоты, то можно увидеть, что до определенного значения частоты f1 он падает примерно в соответствии с формулой (1), а затем начинает повышаться, как показано на рис. 2.
Такая зависимость импеданса от частоты определяется тем, что реальный конденсатор имеет ряд паразитных характеристик. С их учетом, эквивалентную схему прибора можно представить так, как показано на рис. 3.
На рост модуля импеданса после частоты f1 влияет эквивалентная последовательная индуктивность LЭП. Эквивалентное последовательное сопротивление RЭП также оказывает негативное воздействие: его увеличение смещает график вверх вдоль оси ординат.
Емкость и сопротивление диэлектрической абсорбции CД и RД влияют главным образом на значение частоты f1 и поведение модуля импеданса вблизи нее. Основной негативный эффект, оказываемый сопротивлением утечки RУ в рассматриваемом случае, заключается в снижении сопротивления конденсатора по постоянному току, чего следует избегать при работе с цепями питания.
В основном качество подавления помех по цепям питания на высоких частотах определяют параметры RЭП и LЭП, и их значения можно уменьшить с помощью специальных конструкций конденсаторов.
Эквивалентные последовательные сопротивление и индуктивность чип-конденсаторов и трехконтактных проходных фильтров
Эквивалентные последовательные сопротивление и индуктивность определяются проводниками, входящими в состав конденсатора. Чем длиннее путь, который должен пройти ток от одного внешнего контакта компонента до другого, тем, при прочих равных, больше значения RЭП и LЭП. Упрощенно это проиллюстрировано на примере многослойного керамического конденсатора на рис. 4.
Как видно из рис. 4, индуктивности и активные сопротивления в соседних слоях металлизации оказываются соединены последовательно и будут складываться при учете их в значениях RЭП и LЭП. Иными словами, ток, протекая через конденсатор, проходит весь путь от одного контакта компонента к другому.
В трехконтактных проходных фильтрах Б36 производства ООО «Кулон» применяется другая конструкция. При их разработке за основу была взята базовая схема, используемая в проходных фильтрах ведущих зарубежных производителей. Применение этого подхода позволяет, в частности, снизить значение LЭП на порядок в сравнении с обычными керамическими чип-конденсаторами.
Данная конструкция схематично показана на рис. 5. Как видно из рисунка, слои металлизации соединяются по очереди с торцевыми (1 и 2) и центральными (3) контактами компонента (рис. 5в). Таким образом контакты 1 и 2 оказываются электрически соединены между собой, а емкость образуется между торцевыми и центральными контактами. Благодаря этому в каждой паре слоев образуется четыре параллельных пути протекания тока помехи (рис. 6). Эти пути значительно короче, чем у обычного керамического чип-конденсатора, что приводит к снижению величин эквивалентных последовательных сопротивления и индуктивности компонента. Кроме того, поскольку эти пути параллельны, их общие сопротивления и индуктивности еще более уменьшаются в соответствии с формулой для параллельного соединения ветвей:
(2)
Меньшие значения параметров RЭП и LЭП у проходных керамических фильтров, чем у классических керамических чип-конденсаторов, позволяют не только повысить качество подавления помех по цепям питания, но и уменьшить количество применяемых для этих целей компонентов, экономя таким образом площадь печатной платы.
Характеристики проходных
керамических фильтров Б36
Проходные помехоподавляющие фильтры для поверхностного монтажа Б36 производства ООО «Кулон» выпускаются в четырех типоразмерах: 3212М (1205), 3216М (1206), 4516М (1806) и 4532М (1812). Их электрические параметры приведены в табл. 1.
* * *
Проходные помехоподавляющие чип-фильтры Б36 производства ООО «Кулон» выпускаются серийно и поставляются как россыпью, так и в лентах на катушках для монтажа с помощью автоматов установки компонентов. Они позволяют заменить, в частности, ряд импортных компонентов серии NFM компании Murata и серии SF компании Spectrum Control. Применение трехконтактных фильтров Б36 для подавления помех в цепях питания позволяет повысить качество и надежность функционирования и снизить массогабаритные характеристики современной высокопроизводительной аппаратуры. ●
Д. Махин 1, А. Сизиков 2
В 2020 году завод «Кулон» – один из ведущих российских производителей керамических пассивных электронных компонентов – завершил разработку линейки проходных помехоподавляющих фильтров для поверхностного монтажа Б36. Сейчас предприятие выпускает данные компоненты серийно. В статье описываются конструкция проходных трехконтактных фильтров и преимущества, которыми они обладают в сравнении с классическими многослойными керамическими чип-конденсаторами при подавлении помех по цепям питания, а также приводятся характеристики фильтров серии Б36 производства ООО «Кулон».
Подавление помех в цепях питания с помощью блокировочных конденсаторов
С увеличением рабочих частот, снижением напряжения питания и ростом потребляемой мощности в современных электронных устройствах особую актуальность приобретает защита от помех по цепям питания. В момент переключения состояния цифровые схемы образуют импульсную помеху в цепи питания, которая может негативно сказаться на соседних компонентах и привести к ошибкам в их работе.
Подобного рода помехи возникают из-за активного и индуктивного сопротивления проводников, связывающих нагрузку, в роли которой выступает цифровая схема, с источником питания. Для борьбы с этим явлением используют конденсаторы, установленные между общей шиной и проводником питания, называемые блокировочными, поскольку они блокируют распространение помехи от нагрузки за счет того, что их сопротивление на высоких частотах мало, и импульсная помеха ими шунтируется. При этом на постоянную составляющую напряжения они влияния практически не оказывают, так как их сопротивление при нулевой частоте (постоянном токе) велико, в идеале – бесконечно. Принцип работы блокировочных конденсаторов упрощенно показан на рис. 1.
На качество подавления помех в цепях питания влияют паразитные параметры конденсаторов, в особенности на высоких частотах. Уменьшение данного влияния в некоторых случаях достигается за счет применения материалов с лучшими свойствами, но в значительной степени улучшить подавление помех можно с помощью конструкторских решений. Это привело к созданию специализированных конденсаторов, предназначенных именно для этой цели, в частности – трехконтактных проходных керамических фильтров.
Паразитные параметры конденсаторов и их влияние на подавление помех в цепях питания
Модуль импеданса идеального конденсатора имеет чисто емкостной характер и определяется известной формулой:
(1)
где f – частота, C – емкость конденсатора.
Поскольку из этой формулы следует, что сопротивление на низких частотах тем меньше, чем больше емкость конденсатора, а любая составляющая сигнала в цепи питания со сколь угодно низкой частотой, отличной от нуля, является помехой, чем больше емкость конденсатора, тем лучше с точки зрения подавления помех.
Однако если исследовать зависимость модуля импеданса реального конденсатора от частоты, то можно увидеть, что до определенного значения частоты f1 он падает примерно в соответствии с формулой (1), а затем начинает повышаться, как показано на рис. 2.
Такая зависимость импеданса от частоты определяется тем, что реальный конденсатор имеет ряд паразитных характеристик. С их учетом, эквивалентную схему прибора можно представить так, как показано на рис. 3.
На рост модуля импеданса после частоты f1 влияет эквивалентная последовательная индуктивность LЭП. Эквивалентное последовательное сопротивление RЭП также оказывает негативное воздействие: его увеличение смещает график вверх вдоль оси ординат.
Емкость и сопротивление диэлектрической абсорбции CД и RД влияют главным образом на значение частоты f1 и поведение модуля импеданса вблизи нее. Основной негативный эффект, оказываемый сопротивлением утечки RУ в рассматриваемом случае, заключается в снижении сопротивления конденсатора по постоянному току, чего следует избегать при работе с цепями питания.
В основном качество подавления помех по цепям питания на высоких частотах определяют параметры RЭП и LЭП, и их значения можно уменьшить с помощью специальных конструкций конденсаторов.
Эквивалентные последовательные сопротивление и индуктивность чип-конденсаторов и трехконтактных проходных фильтров
Эквивалентные последовательные сопротивление и индуктивность определяются проводниками, входящими в состав конденсатора. Чем длиннее путь, который должен пройти ток от одного внешнего контакта компонента до другого, тем, при прочих равных, больше значения RЭП и LЭП. Упрощенно это проиллюстрировано на примере многослойного керамического конденсатора на рис. 4.
Как видно из рис. 4, индуктивности и активные сопротивления в соседних слоях металлизации оказываются соединены последовательно и будут складываться при учете их в значениях RЭП и LЭП. Иными словами, ток, протекая через конденсатор, проходит весь путь от одного контакта компонента к другому.
В трехконтактных проходных фильтрах Б36 производства ООО «Кулон» применяется другая конструкция. При их разработке за основу была взята базовая схема, используемая в проходных фильтрах ведущих зарубежных производителей. Применение этого подхода позволяет, в частности, снизить значение LЭП на порядок в сравнении с обычными керамическими чип-конденсаторами.
Данная конструкция схематично показана на рис. 5. Как видно из рисунка, слои металлизации соединяются по очереди с торцевыми (1 и 2) и центральными (3) контактами компонента (рис. 5в). Таким образом контакты 1 и 2 оказываются электрически соединены между собой, а емкость образуется между торцевыми и центральными контактами. Благодаря этому в каждой паре слоев образуется четыре параллельных пути протекания тока помехи (рис. 6). Эти пути значительно короче, чем у обычного керамического чип-конденсатора, что приводит к снижению величин эквивалентных последовательных сопротивления и индуктивности компонента. Кроме того, поскольку эти пути параллельны, их общие сопротивления и индуктивности еще более уменьшаются в соответствии с формулой для параллельного соединения ветвей:
(2)
Меньшие значения параметров RЭП и LЭП у проходных керамических фильтров, чем у классических керамических чип-конденсаторов, позволяют не только повысить качество подавления помех по цепям питания, но и уменьшить количество применяемых для этих целей компонентов, экономя таким образом площадь печатной платы.
Характеристики проходных
керамических фильтров Б36
Проходные помехоподавляющие фильтры для поверхностного монтажа Б36 производства ООО «Кулон» выпускаются в четырех типоразмерах: 3212М (1205), 3216М (1206), 4516М (1806) и 4532М (1812). Их электрические параметры приведены в табл. 1.
* * *
Проходные помехоподавляющие чип-фильтры Б36 производства ООО «Кулон» выпускаются серийно и поставляются как россыпью, так и в лентах на катушках для монтажа с помощью автоматов установки компонентов. Они позволяют заменить, в частности, ряд импортных компонентов серии NFM компании Murata и серии SF компании Spectrum Control. Применение трехконтактных фильтров Б36 для подавления помех в цепях питания позволяет повысить качество и надежность функционирования и снизить массогабаритные характеристики современной высокопроизводительной аппаратуры. ●
Отзывы читателей
