новини

Поширена ситуація: інженер-конструктор вставляє феритову кульку в схему, яка має проблеми з електромагнітною сумісністю, лише для того, щоб виявити, що кулька насправді посилює небажаний шум. Як це могло бути? Хіба феритові кульки не повинні усувати енергію шуму, не погіршуючи проблему?
Відповідь на це запитання досить проста, але вона може бути не зрозумілою для багатьох, за винятком тих, хто витрачає більшу частину часу на вирішення проблем електромагнітних перешкод. Простіше кажучи, феритові кульки не є феритовими кульками, не феритовими кульками тощо. Більшість виробників феритових кульок надають таблицю, у якій перелічено номери деталей, імпеданс на певній заданій частоті (зазвичай 100 МГц), опір постійному струму (DCR), максимальний номінальний струм і деякі відомості про розміри (див. таблицю 1). Все майже стандартно. Те, що не показано в даних містить інформацію про матеріал і відповідні частотні характеристики.
Феритові кульки є пасивним пристроєм, який може видаляти шумову енергію зі ланцюга у вигляді тепла. Магнітні кульки генерують опір у широкому діапазоні частот, таким чином усуваючи повністю або частково небажану шумову енергію в цьому діапазоні частот. Для застосувань постійної напруги ( наприклад лінія Vcc мікросхеми), бажано мати низьке значення опору постійному струму, щоб уникнути великих втрат потужності в необхідному сигналі та/або напрузі чи джерелі струму (I2 x DCR втрати). Однак бажано мати високий імпеданс у певних визначених діапазонах частот. Таким чином, імпеданс пов’язаний з використовуваним матеріалом (проникність), розміром феритової кульки, кількістю обмоток і структурою обмотки. Очевидно, що в даному розмірі корпусу та конкретному використовуваному матеріалі , чим більше обмоток, тим вищий імпеданс, але оскільки фізична довжина внутрішньої котушки більша, це також призведе до більшого опору постійному струму. Номінальний струм цього компонента обернено пропорційний його опору постійному струму.
Одним із основних аспектів використання феритових кульок у програмах електромагнітних перешкод є те, що компонент має бути у фазі опору. Що це означає? Простіше кажучи, це означає, що «R» (опір змінному струму) має бути більшим, ніж «XL» (індуктивний) реактивний опір). На частотах, де XL> R (нижча частота), компонент більше схожий на котушку індуктивності, ніж на резистор. На частоті R> XL деталь поводиться як резистор, що є необхідною характеристикою феритових кульок. Частота, на якій «R» стає більшим за «XL», називається частотою «кросовера». Це показано на малюнку 1, де в цьому прикладі частота кросовера становить 30 МГц і позначена червоною стрілкою.
Інший спосіб поглянути на це з точки зору того, що компонент насправді виконує під час фаз індуктивності та опору. Як і в інших додатках, де опір індуктора не узгоджується, частина вхідного сигналу відбивається назад до джерела. Це може забезпечує певний захист для чутливого обладнання з іншого боку феритової кульки, але це також вводить «L» в ланцюг, що може спричинити резонанс і коливання (дзвін). Тому, коли магнітні кульки все ще індуктивні за своєю природою, частина енергії шуму буде відображено, а частина енергії шуму пройде, залежно від значень індуктивності та імпедансу.
Коли феритова кулька перебуває в резистивній фазі, компонент поводиться як резистор, тому він блокує енергію шуму та поглинає цю енергію з ланцюга, а також поглинає її у вигляді тепла. Хоча побудований так само, як деякі котушки індуктивності, використовуючи той самий процес, виробнича лінія та технологія, обладнання та деякі з тих самих компонентів, феритові кульки використовують феритові матеріали з втратами, тоді як котушки індуктивності використовують залізокисень із низькими втратами. Це показано на кривій на малюнку 2.
На малюнку показано [μ''], що відображає поведінку матеріалу феритового шару з втратами.
Той факт, що імпеданс задано на 100 МГц, також є частиною проблеми вибору. У багатьох випадках EMI імпеданс на цій частоті не має значення та вводить в оману. Значення цієї «точки» не вказує на те, чи імпеданс збільшується, чи зменшується , стає плоским, і імпеданс досягає максимального значення на цій частоті, а також чи матеріал все ще перебуває у фазі індуктивності чи перейшов у фазу опору. Насправді багато постачальників феритових кульок використовують кілька матеріалів для однієї феритової кульки, або принаймні, як показано в таблиці даних. Дивіться малюнок 3. Усі 5 кривих на цьому малюнку призначені для різних феритових кульок на 120 Ом.
Тоді користувач повинен отримати криву імпедансу, яка показує частотні характеристики феритової кульки. Приклад типової кривої імпедансу показано на малюнку 4.
На малюнку 4 показано дуже важливий факт. Ця деталь позначена як феритова кулька на 50 Ом із частотою 100 МГц, але її частота кросовера становить приблизно 500 МГц, і вона досягає більше 300 Ом у діапазоні від 1 до 2,5 ГГц. Знову ж таки, просто Перегляд таблиці даних не дасть користувачеві зрозуміти це і може ввести в оману.
Як показано на малюнку, властивості матеріалів відрізняються. Існує багато варіантів фериту, який використовується для виготовлення феритових кульок. Деякі матеріали мають високі втрати, широкосмугові, високочастотні, низькі внесені втрати тощо. На малюнку 5 показано загальне групування за частота застосування та імпеданс.
Ще одна поширена проблема полягає в тому, що розробники друкованих плат іноді обмежуються вибором феритових кульок у своїй затвердженій базі даних компонентів. Якщо компанія має лише кілька феритових кульок, які були схвалені для використання в інших продуктах і вважаються задовільними, у багатьох випадках, немає необхідності оцінювати та затверджувати інші матеріали та номери деталей. У недавньому минулому це неодноразово призводило до деяких ускладнюючих наслідків початкової проблеми електромагнітного шуму, описаної вище. Раніше ефективний метод може бути застосований до наступного проекту або може бути неефективним. Ви не можете просто дотримуватися рішення EMI попереднього проекту, особливо коли змінюється частота необхідного сигналу або частота потенційних випромінювальних компонентів, таких як обладнання годинника.
Якщо ви подивіться на дві криві імпедансу на малюнку 6, ви зможете порівняти матеріальні ефекти двох схожих позначених частин.
Для цих двох компонентів імпеданс на частоті 100 МГц становить 120 Ом. Для частини ліворуч із використанням матеріалу «B» максимальний опір становить приблизно 150 Ом і він досягається на частоті 400 МГц. Для частини праворуч , використовуючи матеріал «D», максимальний імпеданс становить 700 Ом, що досягається приблизно на 700 МГц. Але найбільшою різницею є частота кросовера. Матеріал «B» із надвисокими втратами переходить на 6 МГц (R> XL) , тоді як дуже високочастотний матеріал «D» залишається індуктивним на частоті близько 400 МГц. Яку частину краще використовувати? Це залежить від кожного окремого застосування.
На малюнку 7 показані всі типові проблеми, які виникають, коли для придушення електромагнітних перешкод вибрано неправильні феритові кульки. Нефільтрований сигнал показує недорозмір 474,5 мВ на імпульсі 3,5 В, 1 мкс.
У результаті використання матеріалу з високими втратами (центральний графік) недорозмір вимірювання збільшується через вищу частоту кросовера частини. Недобір сигналу збільшився з 474,5 мВ до 749,8 мВ. Матеріал із надвисокими втратами має низька частота кросовера і хороша продуктивність. Це буде правильним матеріалом для використання в цьому додатку (малюнок праворуч). Недостаток за допомогою цієї частини зменшується до 156,3 мВ.
Коли постійний струм через кульки збільшується, матеріал серцевини починає насичуватися. Для котушок індуктивності це називається струмом насичення та визначається як відсоткове падіння значення індуктивності. Для феритових кульок, коли деталь перебуває у фазі опору, Ефект насичення відображається в зменшенні значення імпедансу з частотою. Це падіння імпедансу знижує ефективність феритових кульок і їхню здатність усувати електромагнітні перешкоди (змінний струм).
На цьому малюнку феритова кулька має номінальний напір 100 Ом при 100 МГц. Це типовий виміряний імпеданс, коли деталь не має постійного струму. Однак можна побачити, що коли подається постійний струм (наприклад, для IC VCC вхід), ефективний імпеданс різко падає. На наведеній вище кривій для струму 1,0 А ефективний імпеданс змінюється від 100 Ом до 20 Ом. 100 МГц. Можливо, це не надто критично, але те, на що інженер-конструктор повинен звернути увагу. Так само, використовуючи лише дані електричних характеристик компонента в технічному паспорті постачальника, користувач не буде знати про це явище зміщення постійного струму.
Подібно до високочастотних радіочастотних котушок індуктивності, напрямок намотування внутрішньої котушки у феритовій кульці має великий вплив на частотні характеристики кульки. Напрямок намотування не лише впливає на співвідношення між опором і рівнем частоти, але й змінює частотну характеристику. На малюнку 9 показано дві феритові кульки на 1000 Ом з однаковим розміром корпусу та з однаковим матеріалом, але з двома різними конфігураціями намотування.
Котушки лівої частини намотані у вертикальній площині та складені в горизонтальному напрямку, що забезпечує вищий імпеданс і вищу частотну характеристику, ніж частина правого боку, намотана в горизонтальній площині та складена у вертикальному напрямку. Частково це пояснюється до нижчого ємнісного реактивного опору (XC), пов’язаного зі зменшеною паразитною ємністю між кінцевою клемою та внутрішньою котушкою. Нижчий XC вироблятиме вищу частоту власного резонансу, а потім дозволить продовжувати збільшувати опір феритової кульки, доки не досягає вищої частоти власного резонансу, яка є вищою за стандартну структуру феритової кульки. Значення імпедансу. Криві двох вищезазначених феритових кульок на 1000 Ом показано на малюнку 10.
Щоб детальніше продемонструвати вплив правильного та неправильного вибору феритових кульок, ми використали просту тестову схему та тестову плату, щоб продемонструвати більшість обговорюваного вище вмісту. На малюнку 11 тестова плата показує положення трьох феритових кульок і контрольні точки, позначені «A», «B» і «C», які розташовані на відстані від пристрою виходу передавача (TX).
Цілісність сигналу вимірюється на стороні виходу феритових кульок у кожному з трьох положень і повторюється з двома феритовими кульками, виготовленими з різних матеріалів. Перший матеріал, низькочастотний S-матеріал із втратами, перевіряли в точках «A», «B» і «C». Далі використовувався матеріал «D» з високою частотою. Результати «точка-точка» з використанням цих двох феритових кульок показано на малюнку 12.
«Наскрізний» нефільтрований сигнал відображається в середньому рядку, показуючи деяке перевищення та недорозвиток на наростаючому та спадаючому фронтах, відповідно. Можна побачити, що використовуючи правильний матеріал для вищезазначених умов випробування, матеріал із втратами нижчої частоти показує добре перевищення а також покращення сигналу недорегулювання на наростаючому та спадаючому фронтах. Ці результати показані у верхньому рядку рисунка 12. Результати використання високочастотних матеріалів можуть викликати дзвін, який підсилює кожен рівень і збільшує період нестабільності. Ці результати тестування показано в нижньому рядку.
Дивлячись на покращення EMI з частотою в рекомендованій верхній частині (Малюнок 12) у горизонтальній розгортці, показаній на Малюнку 13, можна побачити, що для всіх частот ця частина значно зменшує стрибки EMI та знижує загальний рівень шуму на 30 до приблизно У діапазоні 350 МГц прийнятний рівень значно нижчий від межі EMI, виділеної червоною лінією. Це загальний нормативний стандарт для обладнання класу B (FCC, частина 15 у Сполучених Штатах). Матеріал «S», який використовується у феритових кульках, використовується спеціально для цих нижчих частот. Можна побачити, що коли частота перевищує 350 МГц, Матеріал «S» має обмежений вплив на вихідний, нефільтрований рівень електромагнітного шуму, але він зменшує основний сплеск на 750 МГц приблизно на 6 дБ. Якщо основна частина проблеми електромагнітного шуму перевищує 350 МГц, вам потрібно розглянути можливість використання високочастотних феритових матеріалів, максимальний імпеданс яких є вищим у спектрі.
Звичайно, усіх дзвінків (як показано на нижній кривій на малюнку 12) зазвичай можна уникнути за допомогою фактичного тестування продуктивності та/або програмного забезпечення для моделювання, але є надія, що ця стаття дозволить читачам обійти багато типових помилок і зменшити потребу в виберіть правильний час для феритових кульок і надайте більш «освічену» відправну точку, коли феритові кульки потрібні для вирішення проблем електромагнітних перешкод.
Нарешті, найкраще затвердити серію чи серію феритових кульок, а не лише один номер деталі, для більшого вибору та гнучкості дизайну. Слід зазначити, що різні постачальники використовують різні матеріали, і частотні характеристики кожного постачальника повинні бути переглянуті , особливо коли для одного проекту зроблено кілька покупок. З першого разу зробити це дещо легко, але щойно деталі введено в базу даних компонентів під контрольним номером, їх можна використовувати де завгодно. Важливо, щоб частотні характеристики деталей від різних постачальників були дуже схожими, щоб виключити можливість інших застосувань у майбутньому. Виникла проблема. Найкращий спосіб — отримати подібні дані від різних постачальників і принаймні мати криву імпедансу. Це також забезпечить використання правильних феритових кульок для вирішення вашої проблеми електромагнітних перешкод.
Кріс Беркет працює в TDK з 1995 року і зараз є старшим інженером із додатків, який підтримує велику кількість пасивних компонентів. Він брав участь у розробці продуктів, технічних продажах і маркетингу. Беркет написав і опублікував технічні документи на багатьох форумах. Burket отримав три патенти США на оптичні/механічні перемикачі та конденсатори.
In Compliance є основним джерелом новин, інформації, освіти та натхнення для фахівців з електротехніки та електронної інженерії.
Аерокосмічна промисловість Автомобільний зв’язок Побутова електроніка Освіта Енергетика та електроенергетика Інформаційні технології Медицина Військові та національна оборона