Силовые дроссели и синфазные фильтры для поверхностного монтажа: объять необъятное

4 февраля 2015

Bournsстатья

Без силовых дросселей невозможно представить себе повсеместно применяемые в электронике импульсные преобразователи напряжения. Один из признанных лидеров в этой области – компания Bourns. Силовые дроссели неэкранированной, полуэкранированной и экранированной конструкции для поверхностного монтажа, дроссели больших и малых габаритов для подавления синфазных помех – основа производственной программы компании.

Разнообразие задач и требований, предъявляемых функциональной аппаратурой к источникам питания, делает актуальным применение практически всех известных топологий импульсных регуляторов и преобразователей напряжения. За некоторым исключением, все эти решения требуют применения силовых дросселей. Их параметры, наряду со свойствами применяемых силовых полупроводниковых приборов, оказывают решающее влияние на достижимые характеристики импульсных преобразователей: габариты, КПД, надежность, рациональные частоты коммутации и режимы работы, уровень помех и стоимость. Помимо участия в основном преобразовании, силовые дроссели могут использоваться для оптимизации протекания процессов в отдельных цепях преобразователей, а также для фильтрации помех [2, 3]. В последнем случае применяют особую разновидность дросселей: так называемые «дроссели подавления синфазных помех», которые по своим параметрам и конструкции могут значительно отличаться от традиционных силовых дросселей. В настоящее время сложно привести пример электронной аппаратуры, в которой бы не использовались импульсные преобразователи напряжения и, соответственно, разнообразные силовые дроссели. Одним из признанных мировых лидеров в области их производства является компания Bourns. Имея сорокалетний собственный опыт, она осуществила поглощение компании J.W. Miller, в течение 70-ти лет являвшейся мировым технологическим лидером в сфере силовых индуктивностей [1]. Огромный ассортимент силовых дросселей (на токи до 60 А) и дросселей для подавления синфазных помех играет значительную роль в производственной программе корпорации, но все же это лишь небольшая часть в необъятном производственном портфеле Bourns. Особый интерес при миниатюризации современной аппаратуры представляет уменьшение толщины решений, что предполагает предельно возможное снижение высоты применяемых компонентов и использование поверхностного монтажа. В настоящее время прогресс в области силовых переключающих полупроводниковых приборов, микросхем и модулей позволяет создавать преобразователи напряжения толщиной менее 2 мм. При этом рабочие частоты таких преобразователей составляют от нескольких сотен килогерц до единиц мегагерц. Это определяет потребность в силовых пассивных компонентах – дросселях и конденсаторах – с высокой удельной энергоемкостью и мощностью в малогабаритных низкопрофильных корпусах для поверхностного монтажа. Bourns уделяет этому направлению значительное внимание, выпуская несколько серий силовых дросселей для поверхностного монтажа с разнообразными параметрами [1].

Выбор силового дросселя

Силовой дроссель для работы в импульсном преобразователе подбирается по величине индуктивности, допустимым действующему току и току насыщения, потерям в обмотке и сердечнике, диапазону рабочих температур и уровню создаваемых помех. Последний фактор иногда недооценивают, но он может быть критически важным [1]. Дело в том, что силовые дроссели с близкими техническими параметрами могут иметь как «броневую» конструкцию магнитной системы, так и «стержневую». В первом случае магнитный поток дросселя почти полностью замыкается внутри его объема без рассеивания вовне. Соответственно, даже при больших напряжениях на дросселе, то есть, при большой скорости изменения магнитной индукции, он не будет создавать существенных электромагнитных помех для близко расположенных компонентов. Такие компоненты относятся к категории дросселей с экранированием магнитного поля. И, напротив, дроссель «стержневой» конструкции, магнитный поток которого замыкается в значительной мере вне объема самого дросселя, легко может стать источником серьезных помех, называемых неэкранируемыми. Неэкранированные дроссели имеют определенные преимущества в плане размеров, стоимости, большей величины тока насыщения и менее резкого перехода в режим насыщения магнитопровода [1]. Поэтому если уровень помех, создаваемых дросселем неэкранированной конструкции, оказывается приемлемым, то их использование наиболее оправдано. В основном, это относится к силовым дросселям, работающим в составе входных и выходных фильтров помех, а также при их использовании в режимах с малыми пульсациями магнитного потока и при невысоких частотах коммутации. Для того чтобы объединить привлекательные качества дросселей с экранированием магнитного потока и без него, в 2011 году компания Bourns освоила производство «полуэкранированных» дросселей. Для уменьшения рассеивания магнитного потока за пределы объема, эти дроссели покрыты снаружи эпоксидной резиной с ферромагнитным наполнителем. Это обеспечивает большую свободу выбора силового дросселя при разработке импульсных преобразователей. В таблице 1 представлены типовые величины коэффициентов магнитной связи у дросселей разной конструкции: не экранированных, полуэкранированных и с экранированием магнитного потока [1]. Измерения производились при размещении двух одинаковых дросселей той или иной конструкции рядом друг с другом, работающих на частоте 100 кГц. Коэффициент магнитной связи дросселей характеризует долю магнитного потока, замыкающегося вне объема дросселя. Поэтому результаты испытаний, показанных в таблице 1, позволяют сравнить дроссели разной конструкции в отношении генерируемых ими электромагнитных помех. Как видно из рисунка, полуэкранированная конструкция дросселя обеспечивает выигрыш в 1,3…1,5 раза, по сравнению с неэкранированной. Преимущества экранированных дросселей по помехам возрастают в 6…8 раз.

Таблица 1. Значения коэффициентов магнитной связи для силовых дросселей различной конструкции*

Наименование Схема установки
при измерении
Диапазон номинальных индуктивностей LНОМ, мкГн Габаритные размеры, ДхШхВ, мм Коэффициент связи, %
SDR0805 tabl1_1_fmt 10 8х8х5 22,8
SRN8040 tabl1_2_fmt 8х8х4 16,6
SRU8043 tabl1_3_fmt 8х8х4 0,37
SRP6540 tabl1_4_fmt 7х7х4 0,27
* – SDR – неэкранированный, SRN – полуэкранированный, SRU – экранированный с ферритовым сердечником, SRP – экранированный с порошковым сердечником (на большие токи насыщения).

Допустимый действующий ток дросселя (IRMS) нормируется для определенной температуры перегрева поверхности дросселя (обычно на 40°С) при условии пренебрежимо малого вклада потерь в сердечнике и без учета увеличения эффективного сопротивления обмотки вследствие скин-эффекта и эффекта близости, а также из-за повышения температуры проводников. Поэтому на практике перегрев от протекания тока IRMS по обмотке дросселя измеряют на постоянном токе и при температуре воздуха 20°С. Однако в реальных условиях следует учитывать дополнительные факторы увеличения потерь. Это может приводить к перегреву дросселя выше номинального и/или требовать снижения рабочего тока, по сравнению с паспортным значением IRMS. На рисунке 1 [1] схематично показан ток дросселя, работающего на выходе импульсного преобразователя в режиме непрерывного тока. Если переменная составляющая тока дросселя мала, по сравнению с его средним значением (в данном случае это выходной ток преобразователя), тепловыделение в обмотке определяется, в основном, постоянной составляющей тока. Можно ли при этом пренебречь также и потерями в сердечнике, зависит от материала, из которого изготовлен сердечник, его формы, размаха и частоты пульсаций тока.

Рис. 1. Выходной ток импульсного преобразователя, протекающий через сглаживающий дроссель

Рис. 1. Выходной ток импульсного преобразователя, протекающий через сглаживающий дроссель

В общем случае, увеличение тока, протекающего по обмотке, ведет к снижению индуктивности дросселя вследствие уменьшения магнитной проницаемости сердечника. Для силовых дросселей нормируется величина постоянного тока, вызывающая уменьшение индуктивности (при отсутствии тока). Это значение называется током насыщения дросселя, Iнас. Для разных серий дросселей ток Iнас может нормироваться при снижении индуктивности (Lнас по сравнению с Lном) на величину 10…50%. В зависимости от материала сердечника и конструкции дросселя, это уменьшение индуктивности может быть как сравнительно плавным, так и резко выраженным эффектом. Последнее наиболее характерно для экранированных (броневых) ферритовых сердечников. На рисунке 2 [1] изображены кривыезависимостей индуктивности силовых дросселей с различной конструкцией магнитной системы (при одинаковой номинальной индуктивности 10 мкГн и близких геометрических размерах: SRU – ферритовый сердечник с экранированием магнитного потока, SRN – полуэкранированная ферритовая конструкция, SDR – неэкранированная ферритовая конструкция, SRP – экранированный с сердечниками из порошкового или карбонильного железа с повышенной энергоемкостью). Параметр (0,5 х Lнас х Iнас²) характеризует энергоемкость силового дросселя и является одним из основных при выборе дросселя для определенного применения, а также при сравнении различных вариантов дросселей. На рисунке 1 [1] подразумевается, что максимальный ток дросселя (среднее значение тока плюс половина размаха пульсаций) не должен превышать значение тока насыщения. Впрочем, для дросселей с плавным характером уменьшения индуктивности вблизи Iнас это ограничение вообще не является критичным, и даже для дросселей с резким снижением индуктивности большего внимания требуют учет возможного выброса тока во время переходных процессов и снижение индукции насыщения ферритов с повышением их температуры.

Рис. 2. Зависимости индуктивности силовых дросселей с различной конструкцией магнитной системы от величины постоянного тока

Рис. 2. Зависимости индуктивности силовых дросселей с различной конструкцией магнитной системы от величины постоянного тока

При заданных размерах силового дросселя его энергоемкость можно увеличить выбором достаточно большого немагнитного зазора в ферритовом сердечнике или применением марки магнитодиэлектрика с меньшей магнитной проницаемостью. Однако эти меры, соответственно, уменьшают индуктивность дросселя (для восстановления исходного значения индуктивности потребуется катушка с увеличенным числом витков более тонкого провода, что повышает активное сопротивление обмотки, потери в ней и уменьшает допустимый IRMS). Фактически, при увеличении энергоемкости дросселя за счет снижения эффективной магнитной проницаемости ухудшается другой его параметр качества – постоянная времени обмотки τ = Lном/Rобм. Этот параметр определяет потери в дросселе с заданной индуктивностью, по крайней мере, на низких частотах. А в случае достаточно малых пульсаций тока и при применении ферритовых сердечников параметр τ в основном характеризует потери и в реальных применениях на достаточно высоких частотах преобразования. Показателем технического совершенства силового дросселя является произведение вышеуказанных параметров: (0,5 х Lнас х Iнас²) х (Lном/Rобм). Оно пропорционально четвертой степени линейного размера дросселя, квадрату индукции насыщения материала сердечника и обратно пропорционально удельному сопротивлению материала проводников обмотки. Кроме того, оно зависит от рациональности формы сердечника и коэффициента заполнения окна обмотки проводниковым материалом. В рамках имеющегося потенциала технического совершенства дросселей возможен акцент либо в сторону большей энергоемкости, либо большей добротности (постоянной времени обмотки). В обширном производственном портфеле силовых дросселей корпорации Bourns имеются модели, оптимизированные под тот или иной параметр качества либо обладающие компромиссными, сбалансированными свойствами. Это позволяет гибко выбирать наиболее подходящий дроссель в зависимости от требований применения.

При использовании дросселя с относительно большими пульсациями тока и, соответственно, пульсациями магнитной индукции, а также на высоких частотах преобразования, потери в сердечнике могут вносить дополнительный вклад в общую сумму потерь наряду с потерями в обмотке от протекающего тока. Это, в свою очередь, влияет на температурный режим дросселя. Нахождение в диапазоне максимально допустимой температуры наиболее нагретой части обмотки обычно является основным требованием и ограничивающим фактором при выборе токовой нагрузки силовых дросселей. Малая величина потерь в сердечнике предпочтительна не только по соображениям наиболее полного использования токовых возможностей дросселя, но и с точки зрения предсказуемости его теплового режима. Потери в обмотке достаточно хорошо нормированы: известны максимально возможные значения сопротивления обмотки и перегрева при номинальном токе IRMS, а при других величинах тока зависимость потерь носит квадратичный характер. Потери в сердечнике для большинства серий силовых дросселей не нормируются, поэтому при работе с ними не следует допускать, чтобы потери в сердечнике вносили значительный вклад в тепловой режим. Это достигается выбором серии дросселей с ферритовыми сердечниками, имеющими сравнительно малые потери на высоких частотах (таблица 2 [1]), наряду с сохранением малых пульсаций тока. Реальной альтернативой ферритовым сердечникам в силовых дросселях массового применения является порошковое железо. Другие магнитодиэлектрики – альсиферы и, особенно, пресспермы – используются в аппаратуре специального назначения, где их высокая стоимость не критична, преимущественно при тороидальной форме сердечника. Как видно из таблицы 2, удельные потери в сердечнике из порошкового железа примерно на два порядка больше, чем в ферритовых сердечниках с воздушным зазором. Поэтому первые можно использовать только на достаточно низких частотах и при совсем малых пульсациях магнитного потока. Но, с другой стороны, большая индукция насыщения порошкового железа дает значительный выигрыш по удельной энергоемкости таких дросселей. Применение ферритовых сердечников позволяет надеяться, что потери в них окажутся приемлемыми. Однако если силовой дроссель предполагается использовать с большими пульсациями тока и на высокой частоте преобразования (сотни килогерц…единицы мегагерц) – требуются более определенные гарантии на величину потерь в сердечнике. Для таких задач у компании Bourns имеется SRU – специальная серия экранированных дросселей с подробным нормированием потерь в сердечнике на частотах 0,05…1 МГц.

Таблица 2. Типовые характеристики различных возможных материалов для сердечников силовых дросселей

Материал сердечника Удельные потери в сердечнике при 250 кГц и 10 мТл, мВт/см³ Относительная
стоимость
Марганец-цинковый феррит
с немагнитным зазором
1 низкая
Порошковое железо (μ = 75) 80 низкая
Альсифер (μ = 60) 35 средняя
Прессперм МРР (μ = 60) 8 высокая

Серии силовых дросселей для поверхностного монтажа

Компания Bourns выпускает несколько серий силовых дросселей для поверхностного монтажа неэкранированной (SDR), полуэкранированной (SRN) и экранированной конструкции (SRU и SRR – с ферритовыми сердечниками, SRP – с ферритовыми и порошковыми железными сердечниками повышенной энергоемкости). Каждая серия дросселей включает несколько десятков исполнений с малым шагом по индуктивности.

В таблицах 3…6 и 8 представлены обобщенные параметры основных серий дросселей для поверхностного монтажа. Для каждого габаритного размера приведены диапазоны значений энергоемкости 0,5 х Lнас х Iнас² и добротности Lном/Rобм. Фирменные сводные таблицы для подбора моделей силовых дросселей представлены в руководстве [2].

Таблица 3. Основные параметры неэкранированных силовых дросселей для поверхностного монтажа

Наименование Габаритные размеры (ДхВ), мм Диапазон номинальных индуктивностей LНОМ, мкГн Диапазон номинальных токов IRMS, А Энергоемкость дросселей 0,45 х LНОМ х IНАС2, мкДж Постоянная времени τ (LНОМ/RОБМ), мкс
SDR0302 3,0х2,5 1,0…1200 0,06…2,1 3,4…3,6 17…40
SDR0403 4,5х3,2 1,0…1000 0,09…3,8 7…13,5 30…70
SDR0503 5,0х3,0 10…15000 0,02…1,3 7…10,5 63…90
SDR0603 5,8х3,9 1,5…470 0,15…3,0 8…20 37…105
SDR0604 5,8х4,8 1,2…1000 0,12…4,2 6,5…28 37…160
SDR0703 (6,5х4,5)х2,7 1,0…1000 0,08…2,2* 5…9 24…75
SDR0805 7,8х5,3 1,5…4700 0,08…6,0 45…55 75…220
SDR0906 10,5х6,3 2,2…10000 0,04…4,0 44…66 67…300
SDR1005 (12,7х10,0)х5,0 0,68…10000 0,10…8,5** 27…65 113…300
SDR1006 9,8х5,8 1,5…4700 0,10…6,4 70…135 83…320
SDR1030 10,0х3,0 2,7…1000 0,20…3,0*** 21…26 97…220
SDR1045 10,0х4,5 2,7…1000 0,38…4,8 44…75 103…220
SDR1105 (11,1х10,0)х4,8 10…200 1,0…4,0 288…432 220…330
SDR1305 12,7х4,8 2,5…1000 0,46…7,2 60…82 250…480
SDR1307 13.0х7,0 1,5…1000 0,65…9,5 270…450 300…680
SDR1806 (18,3х14)х6,6 1,0..1000 0,50…10 400…450 250…570
SDR2207 (22х15)х7,0 0,78…1000 0,60…15 310…500 300…620
SDR6603 (6,6х4,45)х2,92 1,0…1000 0,07…2,9** 3,8…5,5 20…92
SDR7030 7,0х3,0 1,0…1000 0,15..3,0*** 8…12 45…170
SDR7045 7,0х4,5 1,2…1000 0,22…3,8 13,5…26 55…260

* – ток IRMS дает температуру перегрева 20°С.
** – ток IRMS дает температуру перегрева 15°С.
*** – ток IRMS дает температуру перегрева 30°С.

Таблица 4. Основные параметры «полуэкранированных» силовых дросселей для поверхностного монтажа

Наименование Габаритные размеры, ДхШхВ, мм Диапазон номинальных индуктивностей LНОМ, мкГн Диапазон номинальных токов IRMS, А Энергоемкость дросселей 0,35 х LНОМ х IНАС2, мкДж Постоянная времени τ (LНОМ/RОБМ), мкс
SRN1060 10,0х9,8х6,0 10…470 0,80…5,4 100 340…490
SRN2010 2,0х1,6х1,0 0,24…2,2 1,7…2,4 2,2…3 8,5…14
SRN2012 2,0х1,6х1,2 0,24…2,2 1,3…3,5 2…2,3 7,2…11,5
SRN2510 2,5х2,0х1,0 0,24…2,2 1,5…3,1 1,5…2,8 5,5…13
SRN2512 2,5х2,0х1,2 0,24…2,2 2,3…4,7 5,4…5,6 10…21,5
SRN3010 3,0х3,0х1,0 1,0…47 0,35…2,3 1,3…1,8 15…25
SRN3015 3,0х3,0х1,5 1,0…100 0,29…2,35 2…2,7 21…36
SRN4012 4,0х4,0х1,2 0,47…22 0,62…3,2 2…2,8 16…49
SRN4018 4,0х4,0х1,8 0,82…220 0,28…4,0 6,3…7 42…63
SRN4026 4,0х4,0х2,5 1,0…220 0,20…3,0 3,2…3,4 50…104
SRN5020 5,0х5,0х2,0 1,0…33 0,90…3,6 5,6…7,2 40…75
SRN5040 5,0х5,0х4,0 1,5…47 0,90…3,6 18…21 83…155
SRN6028 6,0х6,0х2,8 0,90…100 0,66…4,6 13…16 52…138
SRN6045 6,0х6,0х4,5 1,0…220 0,60…4,2 22,5…31,5 72…202
SRN8040 8,0х8,0х4,0 0,50…100 1,0…10 25…42 71…250

Таблица 5. Основные параметры экранированных силовых дросселей для поверхностного монтажа с ферритовыми сердечниками

Наименование Габаритные размеры, ДхШхВ, мм Диапазон номинальных индуктивностей LНОМ, мкГн Диапазон номинальных токов IRMS, А Энергоемкость дросселей 0,45 х LНОМ х IНАС2, мкДж Постоянная времени τ (LНОМ/RОБМ), мкс
SRR0603 6,5х6,5х3,3 1,5…1000 0,10…2,2 7,5…10 46…80
SRR0604 6,5х6,5х4,8 1,5…2200 0,10…2,8 6,4…15 53…165
SRR0618 5,0х5,0х1,5 2,2…100 0,23…1,7 1,8…2,4* 44…49
SRR0804 10,5х8,0х3,8 5,0…470 0,16…1,7 17…21 63…130
SRR0805 10,5х8,0х4,7 2,2…1000 0,15…2,5 22,5…30 55…210
SRR0905 9,9х9,9х4,5 10…470 0,33…2,1 20…22 167…313
SRR0906 12,5х10,0х6,0 2,7…10000 0,07…3,2 29…40 83…300
SRR0908 12,5х10,0х7,5 1,5…15000 0,08…5,6 67…110 107…450
SRR1003 12,7х10,3х3.0 1.8…470 0,16…3,0 42…51 48…100
SRR1005 12,7х10,0х5,2 1,0…3300 0,10…4,5 29…45 59…330
SRR1205 12,7х12,7х5,5 2,5…820 0,30…5,0 115…210 104…273
SRR1206 12,7х12,7х6,5 2,5…1500 0,20…6,2 115…160 157…480
SRR1208 12,7х12,7х8,5 2,5…10000 0,18…7,5 112…227 224…680
SRR1210 12,0х12,0х10,0 1,0…1000 0,75…11 108…196** 167…720
SRR1240 12,5х12,5х4,0 1,0…1000 0,42…9,3 32…64*** 141…346
SRR1260 12,5х12,5х6,0 1.0…1000 0,68…9,4 38…145*** 130…612
SRR1280 12,5х12,5х7,5 1,1…1000 0,68…10,2 80…256*** 170…667
SRR1305 12,5х12,5х5,0 0,9…2,7 6,0…20 120…176** 360…430
SRR1806 18,3х14,0х6,8 10…1000 0,45…4,0 300…380 300…470
SRR3011 3,8х3,8х1,15 1,5…100 0,18…1,6 0,7…0,8**** 27…38
SRR4011 4,8х4,8х1,15 0,47…150 0,25…3,2 2,1…2,6**** 16…42
SRR4018 4,8х4,8х1,8 1,0…180 0,18…2,7 2,2…3,8**** 28…74
SRR4028 4,8х4,8х2,8 1,2…560 0,22…3,1 2,6…4**** 60…187
SRR5018 5,8х5,8х1,8 1,2…220 0,23…3,0 4,7…6**** 40…93
SRR5028 5,8х5,8х2,8 2,6…680 0,13…3,0 3,6…6,5**** 87…210
SRR6028 6,8х6,8х2,8 1,5…1000 0,15…3,4 6…10**** 100…230
SRR6038 6,8х6,8х3,8 3,3…100 0,65…3,5 14…16**** 165…310
SRR6603 6,6х4,4х3,0 1,0…10000 0,02…3,0 0,5…0,9**** 25…360
SRR7032 7,0х7,0х3,2 2,2…1000 0,15…2,65 6,8…11,5 100…190
SRR7045 7,0х7,0х4,5 1,0…1000 0,25…3,5 4,5…13 50…435

* – ток IНАС дает снижение индуктивности на 50% от начальной величины.
** – ток IНАС дает снижение индуктивности на 20% от начальной величины.
*** – ток IНАС дает снижение индуктивности на 25% от начальной величины.
**** – ток IНАС дает снижение индуктивности на 35% от начальной величины.

Таблица 6. Основные параметры экранированных силовых дросселей для поверхностного монтажа с ферритовыми сердечниками и нормированными потерями в них

Наименование Габаритные размеры, ДхШхВ, мм Диапазон номинальных индуктивностей LНОМ, мкГн Диапазон номинальных токов IRMS, А Энергоемкость дросселей 0,32 х LНОМ х IНАС2, мкДж Постоянная времени τ (LНОМ/RОБМ), мкс
SRU1028 10,0х10,0х2,8 1,0…150 0,70…7,0 19…23 195…270
SRU1038 10,0х10,0х3,8 1,5…330 0,55…7,2 25…41 200…450
SRU1048 10,0х10,0х4,8 0,8…560 0,47…7,8* 19…45 220…670
SRU1063 10,0х10,0х6,5 1,6…100 1,10…8,0 50…56 176…367
SRU2009 2,8х2,8х0,9 1,0…22 0,22…1,25 0,35…0,7 9…11
SRU2011 2,8х2,8х1,1 1,0…33 0,23…1,65 0,55…0,75 10…14
SRU2013 2,8х2,8х1,35 1,0…47 0,25…2,2 0,76…0,83 15,5…24
SRU2016 2,8х2,8х1,65 1,0…100 0,19…2,2 0,75…0,91 16,7…28
SRU3009 3,5х3,3х0,95 1,3…22 0,22…1,0 0,44…0,56 11,3…16
SRU3011 3,5х3,3х1,10 1,5…10 0,40…1,1 0,40…0,65 26…29
SRU3014 3,5х3,3х1,40 1,2…2,2 0,32…1,85 0,95…1,4 21…34
SRU3017 3,5х3,3х1,80 2,2…47 0,36…1,7* 0,7 61…88
SRU3028 3,5х3,3х2,80 10…100 0,19…0,72 1,4…2,5 45…80
SRU5011 5,2х5,2х1,10 1,5…100 0,20…1,8** 1,0…1,1 46…67
SRU5016 5,2х5,2х1,60 1,8…100 0,30…1,75 1,7…2,6 74…136
SRU5018 5,2х5,2х1,80 1,0…100 0,32…2,8* 2,6…3,5 80…163
SRU5028 5,2х5,2х2,80 1,2…100 0,47…3,5 4,4…5,5 72…170
SRU6011 6,5х6,2х1,10 1,4…68 0,46…2,6 1,5…2,0 35…59
SRU6013 6,5х6,2х1,40 1,0…68 0,60…3,2 2,8…3,5 27…75
SRU6018 6,5х6,2х1,80 1,2…100 0,50…3,6* 3,1…3,8 48…137
SRU6025 6,5х6,2х2,50 1,2…220 0,42…4,0* 4,0…4,4 62…200
SRU8028 8,0х8,0х2,80 1,0…100 0,75…7,0 10…16,5 99…270
SRU8043 8,0х8,0х4,30 2,2…100 1,0…5,4 20…24 196…385

* – ток IRMS дает температуру перегрева 30°С.
** – ток IRMS дает температуру перегрева 25°С.

Таблица 8. Основные параметры экранированных силовых дросселей для поверхностного монтажа повышенной энергоемкости с ферритовыми сердечниками и сердечниками из порошкового/карбонильного железа

Наименование Габаритные размеры, ДхШхВ, мм Диапазон номинальных индуктивностей LНОМ, мкГн Диапазон номинальных токов IRMS, А Энергоемкость дросселей 0,4 х LНОМ х IНАС2, мкДж Постоянная времени τ (LНОМ/RОБМ), мкс
SRP1038A 11,0х10,0х3,8 0,22…47 3…35 320…570 220…330
SRP1040* 11,8х10,5х4,2 0,15…15 5…34 310…330 110…280
SRP1045 11,0х9,35х4,5 0,36…3,2 8…23 77…100 210…310
SRP1055 11,0х9,35х5,5 0,36…8,8 6…28 85…100 210…500
SRP1204 12,5х12,5х4,0 0,75…2,0 10…13 60…96 250…330
SRP1205 12,5х12,5х5,0 0,54…7,4 8,3…18 165…260 300…980
SRP1206 12,5х12,5х5,7 0,70…3,5 14…30 205…255 300…500
SRP1235* 13,9х13,5х3,7 0,10…10 7…43 124…520 104…290
SRP1238A 13,5х12,5х3,3 0,10…10 7…43 280…780 230…290
SRP1245A 13,5х12,5х4,8 0,33…18 7,5…42 850…1000 360…400
SRP1250* 13,9х13,5х5,2 0,22…10 9…45 480…1000 220…600
SRP1265A 13,9х13,5х6,2 0,15…47 6,5…55 760…1600 250…610
SRP1270* 13,7х13,7х7,0 0,32…10 10…46 550…1000 360…590
SRP2010 2,0х1,6х1,0 0,24…2,2 1,5…4,1 3,5…4 13…14
SRP2512 2,5х2,0х1,2 0,47…2,2 2,3…4,5 6…7 15…21
SRP4012 4,7х4,0х1,2 0,22…1,5 3…9 8,8…18 24…30
SRP4012ТA 4,7х4,3х1,2 0,10…10 1,3…11,5 8…25 18…22
SRP4020 4,8х4,0х2,0 0,22…5,6 2,4…11,5 12…21 34…62
SRP4020ТА 4,7х4,3х1,8 0,10…22 1,2…12 18…48 25…44
SRP5030Т 5,7х5,2х2,8 0,33…10 2,75…14 43…49 66…78
SRP6540 7,2х6,5х4,0 0,56…47 1,6…18 47…73 120…140
SRP7028A 7,3х6,6х2,8 0,22…10 3,5…23 141…194 79…116
SRP7030* 7,8х7,0х3,2 0,10…10 3…32,5 68…90 58…116
SRP7030F* 7,6х6,5х3,2 0,10…10 3,5…32 68…144 58…167
SRP8040 8,2х6,1х4,2 0,10; 0,22 35; 25 48…54 150…330
* – не рекомендуется для применения в новых проектах.

Рис. 3. Неэкранированные силовые дроссели для поверхностного монтажа

Рис. 3. Неэкранированные силовые дроссели для поверхностного монтажа

Неэкранированные силовые дроссели серии SDR выполнены на ферритовых сердечниках гантелеобразной формы. Внешний вид этих дросселей показан на рисунке 3. Помимо низкой цены, они привлекательны особо малыми значениями собственной емкости – 1…2,5 пФ. Ток насыщения Iнас нормируется при снижении индуктивности на 10%, а ток IRMS – при перегреве 40°С (если не оговорено иное). Рассчитаны на рабочую температуру -40…125°С (включая собственный перегрев).

Рис. 4. Полуэкранированные силовые дроссели для поверхностного монтажа

Рис. 4. Полуэкранированные силовые дроссели для поверхностного монтажа

Полуэкранированные силовые дроссели серии SRN выполнены на ферритовых сердечниках и дополнительно покрыты снаружи эпоксидной резиной с ферромагнитным наполнителем (рисунок 4). Они сочетают невысокие цены, характерные для неэкранированных дросселей, с улучшенной электромагнитной совместимостью, и имеют весьма малые значения собственной емкости – 1,2…2 пФ. В составе этой серии некоторые линейки имеют толщину всего 1 мм. Ток насыщения Iнас нормируется при снижении индуктивности на 30%, а ток IRMS – при перегреве на 40°С. Рассчитаны на рабочую температуру -40…125°С (включая собственный перегрев).

Рис. 5. Экранированные силовые дроссели для поверхностного монтажа серии SRR

Рис. 5. Экранированные силовые дроссели для поверхностного монтажа серии SRR

Экранированные силовые дроссели серии SRR выполнены на ферритовых сердечниках «броневой» конструкции с весьма малым излучением магнитного потока. Внешний вид дросселей серии SRR показан на рисунке 5. Ток насыщения Iнас этих дросселей нормируется при снижении индуктивности на 10%, а ток IRMS – при перегреве 40°С (если не оговорено иное). В составе этой серии некоторые линейки имеют толщину всего 1,15 мм. Рассчитаны на рабочую температуру -40…125°С (включая собственный перегрев).

Рис. 6. Экранированные силовые дроссели серии SRU для поверхностного монтажа

Рис. 6. Экранированные силовые дроссели серии SRU для поверхностного монтажа

Экранированные силовые дроссели серии SRU выполнены на ферритовых сердечниках «броневой» конструкции с весьма малым излучением магнитного потока вовне (рисунок 6). Ток насыщения Iнас этих дросселей нормируется при снижении индуктивности на 35%, а ток IRMS – при перегреве 40°С (если не оговорено иное). В составе этой серии некоторые линейки имеют толщину всего 0,9 мм! Рассчитаны на рабочую температуру -40…125°С (включая собственный перегрев). Принципиальной особенностью серии SRU является нормирование (гарантия непревышения) потерь в сердечнике при частоте пульсаций 50 кГц…1 МГц и размахе пульсаций магнитной индукции до 200 мТл. Это позволяет обоснованно применять силовые дроссели серии SRU в достаточно тяжелых режимах работы сердечника.

Таблица 7. Основные параметры моделей силовых дросселей из линейки типоразмера SRU1063

Наименование Номинальная индуктивность, мкГн Активное сопротивление обмотки, не более, мОм, Номинальный ток IRMS ,А Ток насыщения, А Собственная частота резонанса, МГц Параметр магнитной индукции «К»
SRU1063-1R6Y 1,6 9 8 10 65 13,3
SRU1063-2R2Y 2,2 11 7,5 8,5 65 9,5
SRU1063-4R7Y 4,7 14 5,5 5,7 30 6,8
SRU1063-100Y 10 38 3,8 4 18 4,9
SRU1063-150Y 15 42 3,2 3,4 14 4,1
SRU1063-220Y 22 60 3 3,2 10 3,3
SRU1063-330Y 33 105 2,2 2,4 8 2,6
SRU1063-470Y 47 150 1,4 1,6 6 2,2
SRU1063-680Y 68 210 1,2 1,35 5 2
SRU1063-101Y 100 320 1,1 1,2 4 1,5

На примере габаритного размера дросселей SRU1063 удобно показать (в таблице 7), как формируется линейка моделей силовых дросселей и нормируются их параметры (аналогичным образом это делается для других серий и типоразмеров). Для каждой модели приводится номинальная (начальная) индуктивность (с допуском ±30%), максимально возможное сопротивление обмотки (при нормальной температуре окружающей среды и без самонагрева), номинальный ток IRMS (дающий перегрев на 40°С) и ток насыщения Iнас (вызывающий падение индуктивности на 35%), собственная частота резонанса и параметр магнитной индукции «К». Последняя величина, обратно пропорциональная произведению площади поперечного сечения сердечника на число витков обмотки, используется для вычисления размаха пульсаций магнитной индукции по известному значению пульсаций тока в обмотке:

ΔBс = K х Lном х ΔIобм

Здесь размах индукции ΔBс выражен в мТл, номинальная индуктивность дросселя Lном – в мкГн, размах пульсаций тока ΔIобм – в А.

Помимо параметров дросселей (таблица 7), для используемого сердечника (он один и тот же для всех моделей линейки данного типоразмера) приводятся графические зависимости потерь в нем от размаха пульсаций магнитной индукции ΔBс и их частоты (для ряда частот 50 кГц…1 МГц). Для дросселей линейки SRU1063 эта зависимость показана на рисунке 7. Таким образом, можно последовательно рассчитать потери в сердечнике при заданном режиме работы дросселя, полные потери в нем, перегрев и максимальную температуру обмотки, сравнив ее с предельно допустимой величиной (125°С). При необходимости нужно скорректировать нагрузку на дроссель (по среднему току или/и по размаху его пульсаций) для обеспечения допустимого температурного режима при хорошем использовании дросселя (без чрезмерных запасов). Это даст существенное преимущество дросселям серии SRU, по сравнению с другими сериями с ненормированными потерями в сердечнике.

Рис. 7. Зависимость потерь в сердечнике силовых дросселей типоразмера SRU1063 от размаха пульсаций магнитной индукции и частоты

Рис. 7. Зависимость потерь в сердечнике силовых дросселей типоразмера SRU1063 от размаха пульсаций магнитной индукции и частоты

Экранированные силовые дроссели серии SRP выполнены на Ш-образных ферритовых сердечниках или на сердечниках из порошкового (в более новых разработках – карбонильного) железа с весьма малым излучением магнитного потока. Внешний вид дросселей серии SRP показан на рисунке 8. Ток насыщения Iнас этих дросселей нормируется при снижении индуктивности на 20/25%, а ток IRMS – при перегреве 40°С. В составе этой серии имеются линейки моделей толщиной всего 1 мм. Рассчитаны на рабочую температуру -40/-55…150°С (включая собственный перегрев). Дроссели серии SRP оптимизированы для получения наибольшей энергоемкости в заданных габаритах. Особенно это свойственно линейкам с сердечниками из железа. Это различие хорошо показано в таблице 8 для близких типоразмеров дросселей с разными материалами сердечников (например, SRP1038A с карбонильным сердечником против SRP1045 – с ферритовым). Кроме того, дроссели с железными сердечниками могут приемлемо работать даже при кратковременном значительном превышении током обмотки номинального значения Iнас, а также обеспечивают меньшую деградацию индукции насыщения с ростом температуры. С другой стороны, линейки дросселей на основе ферритовых сердечников могут удовлетворительно работать при значительно больших пульсациях тока и на высокой частоте.

Рис. 8. Экранированные силовые дроссели повышенной энергоемкости серии SRP для поверхностного монтажа

Рис. 8. Экранированные силовые дроссели повышенной энергоемкости серии SRP для поверхностного монтажа

Все рассмотренные серии дросселей для поверхностного монтажа производства компании Bourns с успехом применяются в составе аппаратуры массового применения: портативном коммуникационном оборудовании, компьютерной технике, видеокамерах, телевизорах, проигрывателях компакт-дисков, автомобильной аудиоаппаратуре, а также на входе и выходе различных импульсных преобразователей напряжения.

Высокое качество, надежность, работоспособность при жестких внешних воздействиях позволяют обоснованно рассматривать возможность их применения в составе и промышленной, и автомобильной аппаратуры. Однако поскольку квалификация компонентов на соответствие жестким требованиям автомобильных стандартов качества (AEC-Q200) является весьма дорогостоящей процедурой, она выполнена только для некоторых линеек дросселей: SDR1307A, SRP1038A, SRP1245A, SRP1265A, SRP4012TA, SRP4020TA, SRP7028A, SRR0735A, SRR1260A, SRR1280A, SRU1028A, SRU1038A, SRU1048A, SRU3028A, SRU5028A, SRU6025A и SRU8028A. Но и этого ассортимента оказывается вполне достаточно для удовлетворения нужд разработчиков и изготовителей ответственного электрооборудования автомобильного назначения.

Дроссели синфазных фильтров

Дроссели для подавления синфазных помех используются в составе синфазных фильтров (рисунок 9). Дроссель LСИНФ имеет две обмотки с одинаковым числом витков и магнитопровод с возможно большей магнитной проницаемостью в рабочем диапазоне частот. Нередко эти обмотки выполняются одновременной намоткой в два провода, что минимизирует индуктивность рассеивания между ними. Обмотки дросселя включаются таким образом, что ток нагрузки IН и ток нормальной помехи создают в них равные и встречно направленные магнитодвижущие силы, компенсирующие друг друга, поэтому магнитопровод LСИНФ может иметь небольшую энергоемкость. Для токов синфазной помехи (рисунок 9) дроссель создает большое индуктивное сопротивление и, вместе с конденсаторами ССИНФ, эффективно снижает величину синфазной помехи. Полное сопротивление дросселя для синфазной помехи определяется индуктивностью одной обмотки, но, при его измерении, ток должен быть достаточно мал, чтобы не вызывать насыщения магнитопровода.

Рис. 9. Фильтр синфазных помех

Рис. 9. Фильтр синфазных помех

Основным источником синфазной помехи являются цепи импульсных преобразователей напряжения, в которых происходят быстрые перепады напряжения с большой амплитудой изменения. Причем, большинство мер улучшения основных характеристик преобразователей (увеличение КПД и уменьшение размеров) ведет к росту генерации синфазных помех (увеличивается мощность и расширяется спектр помехи в область более высоких частот), поэтому актуальность применения эффективных синфазных фильтров постоянно возрастает. Еще одним источником синфазных помех является питающая сеть. Необходимо как защищаться от таких помех, проникающих в аппаратуру из питающей сети, так и блокировать обратное прохождение помех – из преобразователя в питающую сеть. Современные высокоэффективные импульсные преобразователи напряжения способны генерировать синфазные помехи с шириной спектра до нескольких сотен мегагерц.

Основные параметры дросселей синфазных фильтров:

  • рабочий диапазон частот;
  • полное сопротивление для синфазной помехи в рабочем диапазоне частот или на определенной частоте;
  • индуктивность рассеивания между обмотками дросселя;
  • номинальный (максимально допустимый продолжительный) рабочий ток, протекающий по обмоткам дросселя, соответствующий заданной величине температуры перегрева поверхности дросселя выше температуры окружающей среды;
  • активное сопротивление обмоток дросселя (может нормироваться как суммарное сопротивление двух обмоток, так и каждой из них в отдельности);
  • номинальное (максимально допустимое продолжительное) напряжение между обмотками, параметры испытательного напряжения изоляции (род тока, величина напряжения, длительность его воздействия и критерий повреждения изоляции) и величина сопротивления изоляции;
  • диапазон рабочих температур дросселя (верхнее значение температуры с учетом перегрева дросселя протекающим током).

Компания Bourns производит несколько линеек дросселей синфазных помех в SMD-корпусах для установки на печатные платы. Внешний вид этих дросселей показан на рисунке 10. Основные параметры дросселей синфазных помех представлены в таблицах 9 и 10. Они перекрывают широкий спектр рабочего диапазона частот, полного сопротивления для синфазной помехи и допустимого тока нагрузки. Имеется выбор между моделями, предназначенными для фильтрации сравнительно низкочастотных помех (доли…единицы мегагерц), использующими сердечники с очень высокой проницаемостью, и дросселями высокочастотных помех (вплоть до 1,6 ГГц) на специальных ферритовых магнитопроводах с низкой магнитной проницаемостью и малой собственной емкостью. Широкий ряд габаритных размеров, начинающийся со сверхминиатюрных линеек SRF2012А и SRF2012, позволяет подобрать компоненты даже для очень плотного монтажа. Дроссели больших габаритов обеспечивают сочетание высокого полного сопротивления и большого допустимого тока нагрузки. Рабочий температурный диапазон -40/-55…125°С обеспечивает их эффективное применение в промышленном оборудовании. Большинство моделей дросселей синфазных помех производства компании Bourns рассчитано на использование в цепях с продолжительным напряжением до 50 В.

Рис. 10. Дроссели фильтров синфазных помех для поверхностного монтажа, выпускаемые компанией Bourns

Рис. 10. Дроссели фильтров синфазных помех для поверхностного монтажа, выпускаемые компанией Bourns

Таблица 9. Основные характеристики синфазных дросселей больших габаритов для поверхностного монтажа

Наименование Номинальная индуктивность дросселя, мкГн Индуктивность рассеивания дросселя, мкГн Максимальное активное сопротивление обмоток, мОм Максимальный постоянный ток обмоток, мА Диапазон рабочих частот дросселя, МГц Полное сопротивление дросселя в рабочем диапазоне частот, не менее, Ом
SRF0602-100Y 10 1 240 300 35…570 600
SRF0602-470Y 47 4 160 300 4…1600 140
SRF0602-820Y 82 4 200 300 3…850 220
SRF0602-101Y 100 8 220 300 3…660 260
SRF0602-181Y 180 8 250 300 3…250 500
SRF0602-221Y 220 10 280 300 3…210 600
SRF0602-331Y 330 10 300 300 3…120 900
SRF0905-100Y 10 8 80 1600 20…300 200
SRF0905-250Y 25 16 160 1000 20…150 600
SRF0905-400Y 40 18 250 900 20…100 800
SRF0905-500Y 50 22 320 800 20…100 1500
SRF0905-251Y 250 0,11 130 1200 3…20 600
SRF0905-471Y 470 0,12 140 1100 2…20 1000
SRF0905-501Y 500 0,12 150 1000 1…20 1000
SRF0905-102Y 1000 0,17 310 800 1…15 1500
SRF0905-202Y 2000 0,25 420 600 1…5 3000
SRF0905-472Y 4700 0,36 900 400 0,3…3 4000
SRF0905-652Y 6500 0,39 1050 300 0,3…2 5000
SRF1006-121Y 120 1,45 25 1400 10…200 200
SRF1006-251Y 250 3,2 35 1190 5…100 400
SRF1006-501Y 500 5,6 70 840 2…50 800
SRF1006-102Y 1000 12 180 520 1…40 1400
SRF1006-202Y 2000 0,23 270 400 0,5…15 2000
SRF1006-302Y 3000 0,26 330 350 0,5…10 3000
SRF1006-402Y 4000 0,27 550 300 0,5…5 4000
SRF1006-472Y 4700 0,28 1000 250 0,6…3 6200
SRF1006-502Y 5000 0,29 620 250 0,5…3 5000
SRF1306-350Y 35 4 35 2700 5…250 400
SRF1306-600Y 60 5 65 2000 5…100 600
SRF1306-101Y 100 15 100 700 1…50 300
SRF1306-251Y 250 25 150 600 1…40 600
SRF1306-501Y 500 35 300 400 1…40 1200
SRF1306-102Y 1000 45 400 350 0,5…10 2200

Таблица 10. Основные характеристики миниатюрных синфазных дросселей для поверхностного монтажа

Наименование Полное сопротивление дросселя, Ом (номинальная величина) Частота измерения полного сопротивления, МГц Максимальное активное сопротивление обмоток, мОм Максимальный постоянный ток обмоток, мА
SRF2012-300Y 30 100 200 450
SRF2012-670Y 67 250 400
SRF2012-900Y 90 350 330
SRF2012-121Y 120 300 370
SRF2012-161Y 160 400 300
SRF2012-181Y 180 350 330
SRF2012-201Y 200 350 330
SRF2012-221Y 220 350 310
SRF2012-261Y 260 400 300
SRF2012-301Y 300 400 290
SRF2012-361Y 360 450 280
SRF2012-371Y 370 450 280
SRF2012-501Y 500 550 170
SRF2012-671Y 670 600 140
SRF2012-901Y 900 600 80
SRF2012-670YA 67 250 400
SRF2012-900YA 90 300 400
SRF2012-121YA 120 300 400
SRF2012-161YA 160 350 350
SRF2012-181YA 180 350 350
SRF2012-201YA 200 400 300
SRF2012-221YA 220 400 300
SRF2012-261YA 260 400 300
SRF2012-361YA 360 450 300
SRF3216-900Y 90 300 400
SRF3216-161Y 160 350 350
SRF3216-221Y 220 450 300
SRF3216-261Y 260 450 300
SRF3216-601Y 600 800 300
SRF3216-102Y 1000 1000 230
SRF3216-222Y 2200 1200 200
SRF4532-1R0Y 600 120 1200
SRF4532-110Y 700 10 800 300
SRF4532-220Y 1000 2650 200
SRF4532-510Y 2000 3500 200
SRF4532-101Y 5000 8900 200
SRF0504-191Y 190 100 20 5000
SRF0504-351Y 350 40 2000
SRF0504-102Y 1000 60 1500
SRF0504-152Y 1500 100 1000
SRF0504-302Y 3000 200 500
SRF0504-402Y 4000 300 200

 

Заключение

Компания Bourns является одним из ведущих мировых производителей индуктивных компонентов. В необъятном производственном портфеле корпорации представлено несколько тысяч моделей силовых дросселей и фильтров синфазных помех в корпусах для поверхностного монтажа на печатные платы. Они отвечают требованиям большинства возможных применений в конкретной аппаратуре. В статье рассмотрены только основные серии и параметры дросселей для поверхностного монтажа производства Bourns. С полным ассортиментом силовых индуктивных компонентов можно ознакомиться на официальном сайте производителя. Наиболее востребованные модели дросселей поддерживаются на складах КОМПЭЛ – официального дистрибьютора Bourns, а остальные доступны для заказа.

 

Литература

  1. Selecting the optimal inductor for power converter applications//Bourns, Inc. White Paper e/IC1452. 09.2014, p. 13.
  2. Bourns surface mount power inductors and common mode chokes//Bourns, Inc. Product Selection Guide 10M/IC0937. 02.2010, p. 19.
  3. Bourns Technology enables efficient and compact dc-dc converter design//Bourns, Inc. White Paper e/CPK1201. 09.2012, p. 8.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Buorns_SRN _NE_01_15_opt
•••

Наши информационные каналы

О компании Bourns

Компания была основана супругами Marlan и Rosemary Bourns в 1947 году и начала свою деятельность в их маленьком гараже в Калифорнии, США. Изобретение одного из первых в мире миниатюрных потенциометров было стимулом к превращению их крошечного бизнеса в глобальную корпорацию, производящую целый спектр продуктов, которые влияют почти на каждый аспект современной электронной промышленности. В 1952 году Bourns запатентовал первый в мире подстроечный потенциометр под торговой маркой Trimpot®. ...читать далее