aktualności

Typowa sytuacja: inżynier-projektant wkłada koralik ferrytowy do obwodu, w którym występują problemy z kompatybilnością elektromagnetyczną, i okazuje się, że koralik w rzeczywistości powoduje pogorszenie niepożądanych szumów. Jak to możliwe? Czy koraliki ferrytowe nie powinny eliminować energii szumu bez pogarszania problemu?
Odpowiedź na to pytanie jest dość prosta, ale może nie być powszechnie zrozumiała, z wyjątkiem tych, którzy spędzają większość czasu na rozwiązywaniu problemów związanych z zakłóceniami elektromagnetycznymi. Mówiąc najprościej, koraliki ferrytowe nie są koralikami ferrytowymi, nie są koralikami ferrytowymi itp. Większość producentów koralików ferrytowych zapewnia tabelę zawierającą numer części, impedancję przy określonej częstotliwości (zwykle 100 MHz), rezystancję prądu stałego (DCR), maksymalny prąd znamionowy i niektóre informacje o wymiarach (patrz tabela 1). Wszystko jest prawie standardowe. Czego nie pokazano w danych arkusz zawiera informacje o materiale i odpowiadające im charakterystyki wydajności częstotliwościowej.
Koraliki ferrytowe to urządzenie pasywne, które może usuwać energię szumów z obwodu w postaci ciepła. Koraliki magnetyczne wytwarzają impedancję w szerokim zakresie częstotliwości, eliminując w ten sposób całość lub część niepożądanej energii szumów w tym zakresie częstotliwości. Do zastosowań z napięciem stałym ( takiej jak linia Vcc układu scalonego), pożądana jest niska wartość rezystancji prądu stałego, aby uniknąć dużych strat mocy w wymaganym sygnale i/lub źródle napięcia lub prądu (strata I2 x DCR). Jednakże pożądane jest posiadanie wysoka impedancja w określonych zakresach częstotliwości. Dlatego impedancja jest uzależniona od użytego materiału (przepuszczalności), wielkości koralika ferrytowego, liczby zwojów i konstrukcji uzwojeń. Oczywiście w danym rozmiarze obudowy i konkretnym zastosowanym materiale im więcej uzwojeń, tym wyższa impedancja, ale im większa jest fizyczna długość cewki wewnętrznej, tym większa będzie rezystancja prądu stałego. Prąd znamionowy tego elementu jest odwrotnie proporcjonalny do jego rezystancji prądu stałego.
Jednym z podstawowych aspektów stosowania koralików ferrytowych w zastosowaniach EMI jest to, że element musi znajdować się w fazie rezystancji. Co to oznacza? Mówiąc najprościej, oznacza to, że „R” (rezystancja AC) musi być większa niż „XL” (indukcja reaktancja). Przy częstotliwościach, gdzie XL> R (niższa częstotliwość), element bardziej przypomina cewkę indukcyjną niż rezystor. Przy częstotliwości R> XL część zachowuje się jak rezystor, co jest wymaganą cechą koralików ferrytowych. częstotliwość, przy której „R” staje się większe niż „XL”, nazywana jest częstotliwością „rozgraniczającą”. Pokazano to na rysunku 1, gdzie w tym przykładzie częstotliwość rozgraniczająca wynosi 30 MHz i jest oznaczona czerwoną strzałką.
Innym sposobem spojrzenia na to jest pryzmat tego, co faktycznie zachowuje się komponent w fazach indukcyjności i rezystancji. Podobnie jak w przypadku innych zastosowań, w których impedancja cewki indukcyjnej nie jest dopasowana, część przychodzącego sygnału jest odbijana z powrotem do źródła. Może to zapewnia pewną ochronę wrażliwego sprzętu po drugiej stronie koralika ferrytowego, ale wprowadza również literę „L” do obwodu, co może powodować rezonans i oscylacje (dzwonienie). Dlatego też, gdy kulki magnetyczne mają nadal charakter indukcyjny, część energii szumu zostanie odbita, a część energii szumu przejdzie, w zależności od wartości indukcyjności i impedancji.
Kiedy koralik ferrytowy znajduje się w fazie rezystancyjnej, element zachowuje się jak rezystor, więc blokuje energię szumów i pochłania ją z obwodu oraz pochłania ją w postaci ciepła. Chociaż jest zbudowany w taki sam sposób jak niektóre cewki indukcyjne, przy użyciu ten sam proces, linia produkcyjna i technologia, maszyny i niektóre z tych samych materiałów składowych, kulki ferrytowe wykorzystują stratne materiały ferrytowe, podczas gdy w cewkach indukcyjnych wykorzystuje się żelazo o niskiej stracie materiał tlenowy. Pokazano to na krzywej na rysunku 2.
Rysunek pokazuje [μ''], które odzwierciedla zachowanie stratnego materiału kulki ferrytowej.
Fakt, że impedancja jest podana przy częstotliwości 100 MHz, również stanowi część problemu wyboru. W wielu przypadkach zakłóceń elektromagnetycznych impedancja przy tej częstotliwości jest nieistotna i wprowadza w błąd. Wartość tego „punktu” nie wskazuje, czy impedancja wzrasta, czy maleje , staje się płaski, a impedancja osiąga wartość szczytową przy tej częstotliwości i czy materiał jest nadal w fazie indukcyjności, czy przeszedł w fazę rezystancji. W rzeczywistości wielu dostawców koralików ferrytowych używa wielu materiałów na tę samą kulkę ferrytową, lub przynajmniej tak, jak pokazano w karcie katalogowej. Zobacz rysunek 3. Wszystkie 5 krzywych na tym rysunku dotyczy różnych koralików ferrytowych 120 omów.
Następnie użytkownik musi uzyskać krzywą impedancji przedstawiającą charakterystykę częstotliwościową koralika ferrytowego. Przykład typowej krzywej impedancji pokazano na rysunku 4.
Rysunek 4 pokazuje bardzo ważny fakt. Ta część jest oznaczona jako koralik ferrytowy o rezystancji 50 omów i częstotliwości 100 MHz, ale jego częstotliwość podziału wynosi około 500 MHz i osiąga ponad 300 omów w zakresie od 1 do 2,5 GHz. Ponownie, po prostu spojrzenie na arkusz danych nie pozwoli użytkownikowi się o tym dowiedzieć i może wprowadzić w błąd.
Jak pokazano na rysunku, właściwości materiałów są różne. Istnieje wiele odmian ferrytu używanych do produkcji koralików ferrytowych. Niektóre materiały charakteryzują się wysokimi stratami, szerokopasmowym, wysokiej częstotliwości, niskimi tłumiennościami wtrąceniowymi itd. Rysunek 5 przedstawia ogólne grupowanie według częstotliwość stosowania i impedancja.
Innym częstym problemem jest to, że projektanci płytek drukowanych czasami ograniczają się do wyboru koralików ferrytowych z bazy danych zatwierdzonych komponentów. Jeśli firma ma tylko kilka koralików ferrytowych, które zostały zatwierdzone do stosowania w innych produktach i są uważane za zadowalające, w wielu przypadkach nie jest konieczna ocena i zatwierdzanie innych materiałów i numerów części. W niedawnej przeszłości wielokrotnie prowadziło to do pogłębiających się skutków pierwotnego problemu hałasu EMI opisanego powyżej. Wcześniej skuteczna metoda może mieć zastosowanie w następnym projekcie lub może nie być skuteczne. Nie można po prostu zastosować rozwiązania EMI z poprzedniego projektu, zwłaszcza gdy zmienia się częstotliwość wymaganego sygnału lub częstotliwość potencjalnych elementów promieniujących, takich jak zmiany sprzętu zegarowego.
Jeśli spojrzysz na dwie krzywe impedancji na rysunku 6, możesz porównać efekty materiałowe dwóch podobnie wyznaczonych części.
Dla tych dwóch elementów impedancja przy 100 MHz wynosi 120 omów. Dla części po lewej stronie, przy użyciu materiału „B”, maksymalna impedancja wynosi około 150 omów i jest realizowana przy 400 MHz. Dla części po prawej stronie przy użyciu materiału „D” maksymalna impedancja wynosi 700 omów, co jest osiągane przy około 700 MHz. Największą różnicą jest jednak częstotliwość podziału. Przejścia materiału „B” o bardzo wysokich stratach przy 6 MHz (R> XL) , podczas gdy materiał „D” o bardzo wysokiej częstotliwości pozostaje indukcyjny przy częstotliwości około 400 MHz. Której części należy użyć? Zależy to od indywidualnego zastosowania.
Rysunek 7 pokazuje wszystkie typowe problemy, które występują, gdy do tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych zostaną wybrane niewłaściwe koraliki ferrytowe. Niefiltrowany sygnał wykazuje spadek o 474,5 mV przy impulsie 3,5 V, 1 uS.
W wyniku zastosowania materiału typu high-strat (wykres środkowy) niedoregulowanie pomiaru wzrasta ze względu na wyższą częstotliwość rozgraniczającą części. Niedoregulowanie sygnału wzrosło z 474,5 mV do 749,8 mV. Materiał Super High Loss ma niska częstotliwość podziału i dobra wydajność. Będzie to właściwy materiał do zastosowania w tym zastosowaniu (zdjęcie po prawej). Napięcie poniżej wartości tej części zostaje zmniejszone do 156,3 mV.
W miarę wzrostu prądu stałego przepływającego przez koraliki materiał rdzenia zaczyna się nasycać. W przypadku cewek jest to nazywane prądem nasycenia i określane jako procentowy spadek wartości indukcyjności. W przypadku koralików ferrytowych, gdy część znajduje się w fazie rezystancji, efekt nasycenia odzwierciedla się w spadku wartości impedancji wraz z częstotliwością. Ten spadek impedancji zmniejsza skuteczność koralików ferrytowych i ich zdolność do eliminowania szumu EMI (AC). Rysunek 8 przedstawia zestaw typowych krzywych polaryzacji DC dla koralików ferrytowych.
Na tym rysunku koralik ferrytowy ma znamionową rezystancję 100 omów przy 100 MHz. Jest to typowa zmierzona impedancja, gdy część nie jest zasilana prądem stałym. Można jednak zauważyć, że po przyłożeniu prądu stałego (na przykład dla IC VCC wejściowego), efektywna impedancja gwałtownie spada. Na powyższej krzywej, dla prądu 1,0 A, efektywna impedancja zmienia się od 100 omów do 20 omów, 100 MHz. Może nie jest to zbyt krytyczne, ale jest to coś, na co inżynier projektant musi zwrócić uwagę. Podobnie, wykorzystując jedynie dane dotyczące charakterystyki elektrycznej komponentu w karcie katalogowej dostawcy, użytkownik nie będzie świadomy zjawiska polaryzacji prądu stałego.
Podobnie jak w przypadku cewek indukcyjnych RF o wysokiej częstotliwości, kierunek uzwojenia cewki wewnętrznej w koraliku ferrytowym ma duży wpływ na charakterystykę częstotliwościową koralika. Kierunek uzwojenia wpływa nie tylko na zależność między impedancją a poziomem częstotliwości, ale także zmienia pasmo przenoszenia. Na rysunku 9 pokazano dwa koraliki ferrytowe o rezystancji 1000 omów, w tej samej obudowie i z tego samego materiału, ale z dwoma różnymi konfiguracjami uzwojeń.
Cewki lewej części są nawinięte w płaszczyźnie pionowej i ułożone w kierunku poziomym, co daje wyższą impedancję i wyższą charakterystykę częstotliwościową niż część po prawej stronie nawinięta w płaszczyźnie poziomej i ułożone w kierunku pionowym. Jest to częściowo spowodowane do niższej reaktancji pojemnościowej (XC) związanej ze zmniejszoną pojemnością pasożytniczą pomiędzy końcówką końcową a cewką wewnętrzną. Niższe XC spowoduje wyższą częstotliwość rezonansu własnego, a następnie umożliwi dalszy wzrost impedancji koralika ferrytowego, aż osiągnie osiąga wyższą częstotliwość rezonansu własnego, która jest wyższa niż standardowa struktura koralika ferrytowego. Wartość impedancji. Krzywe powyższych dwóch koralików ferrytowych 1000 omów pokazano na rysunku 10.
Aby dokładniej pokazać skutki prawidłowego i nieprawidłowego wyboru kulek ferrytowych, użyliśmy prostego obwodu testowego i płytki testowej, aby zademonstrować większość treści omówionych powyżej. Na rysunku 11 tablica testowa pokazuje pozycje trzech kulek ferrytowych i zaznaczone punkty testowe „A”, „B” i „C”, które znajdują się w pewnej odległości od urządzenia wyjściowego nadajnika (TX).
Integralność sygnału jest mierzona po stronie wyjściowej koralików ferrytowych w każdej z trzech pozycji i jest powtarzana z dwoma koralikami ferrytowymi wykonanymi z różnych materiałów. Pierwszy materiał, stratny materiał „S” o niskiej częstotliwości, został przetestowany w punktach „A”, „B” i „C”. Następnie zastosowano materiał „D” o wyższej częstotliwości. Wyniki punkt-punkt przy użyciu tych dwóch koralików ferrytowych pokazano na rysunku 12.
Niefiltrowany sygnał „przelotowy” jest wyświetlany w środkowym rzędzie, wykazując pewne przekroczenia i niedoregulowania odpowiednio na zboczach narastających i opadających. Można zauważyć, że przy użyciu odpowiedniego materiału dla powyższych warunków testowych, materiał ze stratami o niższej częstotliwości wykazuje dobre przeregulowanie oraz poprawę sygnału poniżej poziomu na zboczach narastających i opadających. Wyniki te pokazano w górnym rzędzie rysunku 12. W wyniku użycia materiałów o wysokiej częstotliwości może wystąpić dzwonienie, które wzmacnia każdy poziom i wydłuża okres niestabilności. Te wyniki testów są pokazane w dolnym rzędzie.
Patrząc na poprawę EMI przy częstotliwości w zalecanej górnej części (Rysunek 12) na skanie poziomym pokazanym na Rysunku 13, można zauważyć, że dla wszystkich częstotliwości ta część znacznie zmniejsza skoki EMI i zmniejsza ogólny poziom hałasu na poziomie 30 do około W zakresie 350 MHz akceptowalny poziom jest znacznie niższy od limitu EMI zaznaczonego czerwoną linią. Jest to ogólna norma prawna dla sprzętu klasy B (FCC część 15 w Stanach Zjednoczonych). Materiał „S” używany w koralikach ferrytowych jest specjalnie używany dla tych niższych częstotliwości. Można zauważyć, że gdy częstotliwość przekroczy 350 MHz, Materiał „S” ma ograniczony wpływ na pierwotny, niefiltrowany poziom szumu EMI, ale redukuje główny skok przy 750 MHz o około 6 dB. Jeśli główna część problemu z szumem EMI jest wyższa niż 350 MHz, należy rozważyć zastosowanie materiałów ferrytowych o wyższej częstotliwości, których maksymalna impedancja jest wyższa w widmie.
Oczywiście, wszelkiego dzwonienia (jak pokazano na dolnej krzywej na rysunku 12) można zwykle uniknąć poprzez faktyczne testowanie wydajności i/lub oprogramowanie symulacyjne, ale mamy nadzieję, że ten artykuł pozwoli czytelnikom ominąć wiele typowych błędów i zmniejszyć potrzebę wybierz właściwy czas koralika ferrytowego i zapewnij bardziej „wykształcony” punkt wyjścia, gdy potrzebne są koraliki ferrytowe, aby pomóc w rozwiązaniu problemów EMI.
Na koniec najlepiej jest zatwierdzić serię lub serię koralików ferrytowych, a nie tylko pojedynczy numer części, aby uzyskać większy wybór i elastyczność projektowania. Należy zauważyć, że różni dostawcy używają różnych materiałów i należy sprawdzić wydajność częstotliwościową każdego dostawcy , zwłaszcza gdy dokonuje się wielu zakupów dla tego samego projektu. Za pierwszym razem jest to dość łatwe, ale gdy części zostaną wprowadzone do bazy danych komponentów pod numerem kontrolnym, można ich używać w dowolnym miejscu. Ważną rzeczą jest to, że charakterystyka częstotliwościowa części pochodzących od różnych dostawców jest bardzo podobna, aby wyeliminować możliwość innych zastosowań w przyszłości. Wystąpił problem. Najlepszym sposobem jest uzyskanie podobnych danych od różnych dostawców i przynajmniej posiadanie krzywej impedancji. Zapewni to również użycie właściwych koralików ferrytowych do rozwiązania problemu zakłóceń elektromagnetycznych.
Chris Burket pracuje w TDK od 1995 roku i obecnie jest starszym inżynierem ds. zastosowań, obsługującym dużą liczbę komponentów pasywnych. Zajmował się projektowaniem produktów, sprzedażą techniczną i marketingiem. Burket napisał i opublikował artykuły techniczne na wielu forach. Burket uzyskał trzy patenty w USA na przełączniki i kondensatory optyczno-mechaniczne.
In Compliance jest głównym źródłem aktualności, informacji, edukacji i inspiracji dla specjalistów z zakresu elektrotechniki i elektroniki.
Lotnictwo i kosmonautyka Motoryzacja Komunikacja Elektronika użytkowa Edukacja Energia i energetyka Technologie informacyjne Medycyna Wojsko i obrona narodowa