Дроссели компании BOURNS: современный подход к выполнению требований рынка

Bourns — это широко известная американская электронная компания, которая с 1947 года разрабатывает, производит и поставляет электронные компоненты для самого широкого спектра приложений. В номенклатуре продуктов Bourns представлены электронные компоненты для автомобильной промышленности, приборостроения, медицинских изделий, бытовой техники. Индуктивные компоненты под торговой маркой Bourns включают чип-индуктивности под технологию поверхностного монтажа, индуктивности, рассчитанные на большие постоянные токи, катушки, соответствующие требованиям стандарта AEC-Q200, силовые и синфазные дроссели, а также тороидальные катушки индуктивности и катушки с радиальными и аксиальными выводами.

 

Современные электронные устройства становятся все более энергоемкими, но при этом стремятся к минимизации габаритов и оптимизации цены. Поскольку все они нуждаются в источниках питания, которые, в свою очередь, кроме минимизации габаритов и повышения удельной плотности мощности, требуют максимизации КПД, что заставляет использовать в них более высокие частоты преобразования энергии. Базовым элементом в топологии современного импульсного стабилизатора напряжения, как известно, являются дроссели. Они присутствуют практически в каждой цепи, которая преобразовывает и стабилизирует напряжение в автомобилях, промышленной и бытовой электронике, в преобразователях постоянного тока.

Как известно, реальная катушка индуктивности по своим характеристикам существенно отличается от идеальной. В общем виде ее можно представить как известную эквивалентную схему, показанную на рис. 1.

 

Рис. 1. Модель реальной катушки индуктивности

 

При выборе дросселя, нас прежде всего будет интересовать его индуктивность. Как известно, индуктивность катушки пропорциональна ее линейным размерам, магнитной проницаемости сердечника и квадрату числа витков намотки. Все было бы просто, если бы магнитная проницаемость не зависела от температуры и постоянного тока, протекающего через катушку. Оба эти параметра определяются свойствами сердечника.

Температурная зависимость индуктивности обусловлена целым рядом факторов. Во-первых, при нагреве увеличивается длина и диаметр провода обмотки, увеличивается длина и диаметр каркаса, в результате чего изменяются шаг и диаметр витков. Во-вторых, при изменении температуры меняется диэлектрическая проницаемость материала каркаса, что ведет к изменению собственной емкости катушки. Но самое большое влияние температура оказывает на магнитную проницаемость ферромагнетика сердечника. Причем сам нагрев — это следствие трех факторов: температуры окружающей среды, температуры рядом расположенных компонентов и собственной температуры, как следствие потерь, имеющих место в реальной катушке индуктивности.

Потери — это не только омическое сопротивление в проводах, указанное в спецификациях, как RDC (иногда как DCR), есть еще потери в диэлектрике, сердечнике и экране. Причем они зависят уже и от температуры, и от частоты. Так, повышение сопротивления провода обмотки, кроме следствия нагрева, поскольку частоты преобразования мощности возрастают, часто обусловлено и скин-эффектом. Суть эффекта состоит в вытеснении тока в поверхностные слои провода. В итоге уменьшается полезное сечение проводника за счет чего, соответственно, и возрастает сопротивление.

Что касается потерь в диэлектрике, они не столь значительны и вызваны потерями от диэлектрика межвиткового конденсатора и магнитными свойствами диэлектрика, поскольку в качестве последнего часто выступает материал сердечника. Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на перемагничивание материала сердечника, или, как их еще называют, потерь на гистерезис.

Поскольку реальная катушка индуктивности представляет собой колебательный контур, то она имеет и частоту собственного резонанса. На частотах много ниже частоты собственного резонанса импеданс катушки носит индуктивный характер, при частотах вблизи резонанса в основном активный (на частоте резонанса чисто активный) и большой по модулю, на частотах много выше частоты собственного резонанса — емкостный. Обычно собственная частота указывается изготовителем в технических данных промышленных катушек индуктивности либо явно, либо косвенно, как рекомендованная максимальная рабочая частота, при этом часто указана и добротность, которая падает с ростом частоты, что связано с увеличением сопротивления из-за скин-эффекта. Добротность также зависит от температуры, но для силовых дросселей, в отличие от их собственного резонанса, это не имеет решающего значения.

Одним из изготовителей, в качестве и стабильности характеристик продуктов которого можно быть на 100% уверенным, является компания Bourns. С 1947 года она разрабатывает, производит и поставляет электронные компоненты для самого широкого спектра приложений. Удобство использования ее индуктивных элементов заключается не только в широкой номенклатуре и гарантированной коммерческой долгосрочной доступности, но и в том, что они по посадочным местам совпадают с более дорогими аналогичными по характеристикам элементами других компаний.

Одним из изготовителей, в качестве и стабильности характеристик продуктов которого можно быть на 100% уверенным, является компания Bourns. С 1947 года она разрабатывает, производит и поставляет электронные компоненты для самого широкого спектра приложений. Удобство использования ее индуктивных элементов заключается не только в широкой номенклатуре и гарантированной коммерческой долгосрочной доступности, но и в том, что они по посадочным местам совпадают с более дорогими аналогичными по характеристикам элементами других компаний.

Индуктивные компоненты компании Bourns, в том числе и дроссели, широко используются в автомобильной, компьютерной, коммуникационной, бытовой, приборостроительной, промышленной и не в критичной для жизни медицинской аппаратуре (рис. 2) [1].

 

Рис. 2. Номенклатура индуктивных компонентов компании Bourns

 

Силовые SMD-дроссели компании Bourns представлены сериями SDR, SRN, SRR и SRP (рис. 3), которые различаются конструктивным исполнением:

• Дроссели серии SDR, неэкранированные — базовая, недорогая бюджетная серия с открытым типом обмотки, для некритичных к излучаемым ЭМП приложений и DC/DC-преобразователей малой мощности.
• Серия SRN, полуэкранированные, изготавливаются c использованием специального эпоксидного компаунда, отличаются идеальным балансом стоимости и параметров экранирования.
• Серия SRR/SRU, экранированные, закрытого типа, с высокими показателями магнитного экранирования, для критичных к излучаемым и наведенным ЭМП приложений.
• Серия SRP, экранированные, изготавливаются c использованием порошка из карбонильного железа. Соответствуют требованиям автомобильного стандарта AEC-Q200. Данное семейство отличается высокими токами насыщения и расширенным температурным диапазоном –40…+150 °C, что делает их оптимальным решением для мощных DC/DC-преобразователей различных топологий.

 

Рис. 3. Некоторые варианты исполнения дросселей серий SDR, SRN, SRR, SRU и SRP компании Bourns

 

Для рассматриваемых дросселей компания Bourns приводит сравнительные характеристики, показанные на рис. 4 [2].

 

Рис. 4. Сравнительные характеристики насыщения постоянным током сердечников дросселей серий SDR, SRN, SRU и SRP компании Bourns

 

При выборе дросселя конкретного типа, кроме всего перечисленного выше, необходимо учитывать не только особенности, которые определяют его характеристики, но и конструктивные отличия. Кроме условий монтажа требуется учитывать взаимодействие дросселя с рядом расположенными компонентами.

Если на вашей печатной плате находится несколько катушек, то между ними возможна индуктивная связь или так называемая связь ближнего поля. Часто это недопустимо, соответственно, разработчику необходимо решать вопросы развязки. Ко всему почему, дроссели становятся источниками электромагнитных помех (ЭМП) и влияют на электромагнитную совместимость (ЭМС). В первом и во втором случае на помощь приходят экранированные дроссели или, как компромисс с точки зрения цены, их полуэкранированные варианты (рис. 5) [2].

 

Рис. 5. Сравнение ослабления взаимного влияния дросселей различных серий от компании Bourns

 

Преимущество полуэкранированных дросселей SRN состоит в более низкой цене. Она примерно на 15–20% ниже, чем у экранированных аналогов, что позволяет использовать данные дроссели в самых массовых сегментах потребительской электроники и делает их хорошим выбором для производителей электроники, имеющих солидные производственные объемы. Если проект критичен к себестоимости или дроссели используются в маломощных DC/DC-преобразователях, то применение дросселей серии SRN, предлагаемых компанией Bourns, будет более чем оправдано. Конструктивные особенности дросселей этой серии приведены на рис. 6 [2].

Рис. 6. Конструктивное решение дросселей серии SRN, предлагаемых компанией Bourns

 

В качестве справочного материала можно воспользоваться таблицей, в которой приведены варианты взаимозаменяемости рассматриваемых дросселей [2].

 

Таблица. Перекрестная ссылка для взаимозаменяемости дросселей компании Bourns

Типоразмер 1 (3 мм)
SDR0302	SRN3015	SRU2016
Размер: 3×2,8×2,5 мм	Размер: 3×3×1,5 мм	Размер: 2,8×2,8×1,65 мм
Типоразмер 2 (6 мм)
SDR0604	SRN6045	SRR0604
Размер: 5,8×5,8×4,8 мм	Размер: 6×6×4,5 мм	Размер: 6,5×6,5×4,8 мм
Типоразмер 3 (8 мм)
SDR0805	SRN8040	SRU8043
Размер: 7,8×7,8×5,3 мм	Размер: 8×8×4 мм	Размер: 8×8×4,3 мм

 

Для удовлетворения потребностей клиентов компания Bourns в своих спецификациях приводит как минимум следующие характеристики дросселей:

1. Номинальную индуктивность и ее предельные отклонения, с указанием частоты, на которой проводилось измерение.
2. Значение добротности Q (справочное) и испытательная частота.
3. Частота собственного резонанса (минимальная).
4. Сопротивление по постоянному току RDC.
5. Максимальный рабочий ток, среднеквадратичное значение.
6. Так насыщения.
7. Диапазон рабочих температур и температур хранения.
8. Условия пайки.
9. Материалы и покрытия.
10. Геометрические размеры и рекомендации по монтажу на печатную плату.

Кроме перечисленного, для ряда дросселей доступны графики потерь, значение К-фактора и зависимость индуктивности от уровня постоянного тока. Выбор правильного компонента для конкретного приложения облегчается благодаря выполнению следующих шагов [3]:

1. Выберите конфигурацию, которая соответствует текущему расчету, исходя из максимального выходного тока [3, 4].
2. Найдите компоненты, которые имеют необходимую индуктивность.
3. Выберите желаемое сопротивление постоянному току.
4. Сузьте выбор до желаемого типа конструкции или типа катушки.
5. Выберите конкретный номер детали.
6. При необходимости используйте таблицу перекрестных ссылок для подбора новейших, самых современных компонентов Bourns.

 

Этот процесс применим при выборе из широкой линейки продуктов, предлагаемых Bourns, индуктивности для любой цели применения. Несомненно, что в правильном и удовлетворяющем ваши требования выборе конкретного дросселя вам окажут помощь как специалисты компании, так и ее поставщики.

Что касается конкретных цифр, то компания Bourns предлагает самый широкий ассортимент компонентов со значениями индуктивности 0,1 мкГн — 15 мГн, номинальными токами 60 мА — 43 A (с.к.з.) и токами насыщения до 65 А.

Кроме описанных, скажем так, обычных дросселей, в портфеле компании Bourns имеются и так называемые синфазные дроссели, состоящие из нескольких обмоток, которые решают проблемы фильтрации ЭМП. Помимо перечисленных выше отличий, они должны обладать максимально полной симметрией обмоток. Особенности дросселей это типа требует отдельного рассмотрения.