nyheter

En vanlig situasjon: En designingeniør setter inn en ferrittkule i en krets som opplever EMC-problemer, bare for å finne ut at kulen faktisk gjør uønsket støy verre. Hvordan kan dette være? Bør ikke ferrittkuler eliminere støyenergi uten å gjøre problemet verre?
Svaret på dette spørsmålet er ganske enkelt, men det er kanskje ikke allment forstått bortsett fra de som bruker mesteparten av tiden på å løse EMI-problemer. Enkelt sagt er ferrittperler ikke ferrittperler, ikke ferrittperler osv. De fleste ferrittperleprodusenter tilbyr en tabell som viser deres delenummer, impedans ved en gitt frekvens (vanligvis 100 MHz), DC-motstand (DCR), maksimal merkestrøm og noen dimensjoner Informasjon (se tabell 1). Alt er nesten standard. Det som ikke vises i dataene ark er materialinformasjonen og de tilsvarende frekvensytelsesegenskapene.
Ferrittkuler er en passiv enhet som kan fjerne støyenergi fra kretsen i form av varme. Magnetiske perler genererer impedans i et bredt frekvensområde, og eliminerer dermed hele eller deler av den uønskede støyenergien i dette frekvensområdet. For DC-spenningsapplikasjoner ( slik som Vcc-linjen til en IC), er det ønskelig å ha en lav DC-motstandsverdi for å unngå store effekttap i nødvendig signal og/eller spennings- eller strømkilde (I2 x DCR-tap). Det er imidlertid ønskelig å ha høy impedans i visse definerte frekvensområder. Derfor er impedansen relatert til materialet som brukes (permeabilitet), størrelsen på ferrittkulen, antall viklinger og viklingsstrukturen. Selvfølgelig, i en gitt husstørrelse og spesifikt materiale som brukes , jo flere viklinger, desto høyere impedans, men ettersom den fysiske lengden på den interne spolen er lengre, vil dette også gi en høyere DC-motstand. Merkestrømmen til denne komponenten er omvendt proporsjonal med DC-motstanden.
Et av de grunnleggende aspektene ved bruk av ferrittkuler i EMI-applikasjoner er at komponenten må være i motstandsfasen. Hva betyr det? Enkelt sagt betyr dette at "R" (vekselstrømsmotstand) må være større enn "XL" (induktiv) reaktans). Ved frekvenser der XL> R (lavere frekvens), er komponenten mer som en induktor enn en motstand. Ved frekvensen til R> XL oppfører delen seg som en motstand, som er en nødvendig egenskap for ferrittkuler. frekvensen der "R" blir større enn "XL" kalles "crossover"-frekvensen. Dette er vist i figur 1, hvor delefrekvensen er 30 MHz i dette eksemplet og er markert med en rød pil.
En annen måte å se på dette på er i forhold til hva komponenten faktisk utfører under induktans- og motstandsfasene. Som med andre applikasjoner der impedansen til induktoren ikke matches, reflekteres en del av det innkommende signalet tilbake til kilden. Dette kan gir en viss beskyttelse for det sensitive utstyret på den andre siden av ferrittkulen, men det introduserer også "L" i kretsen, noe som kan forårsake resonans og oscillasjon (ringing). Derfor, når de magnetiske kulene fortsatt er induktive i naturen, deler av støyenergien vil bli reflektert og en del av støyenergien vil passere, avhengig av induktans- og impedansverdiene.
Når ferrittkulen er i sin resistive fase, oppfører komponenten seg som en motstand, så den blokkerer støyenergi og absorberer denne energien fra kretsen, og absorberer den i form av varme. Selv om den er konstruert på samme måte som noen induktorer, vha. samme prosess, produksjonslinje og teknologi, maskineri, og noen av de samme komponentmaterialene, ferrittkuler bruker tapsgivende ferrittmaterialer, mens induktorer bruker jernoksygenmateriale med lavt tap. Dette er vist i kurven i figur 2.
Figuren viser [μ''], som gjenspeiler oppførselen til det tapende ferrittkulematerialet.
Det faktum at impedansen er gitt ved 100 MHz er også en del av valgproblemet. I mange tilfeller av EMI er impedansen ved denne frekvensen irrelevant og misvisende. Verdien av dette "punktet" indikerer ikke om impedansen øker, reduseres , blir flat, og impedansen når sin toppverdi ved denne frekvensen, og om materialet fortsatt er i sin induktansfase eller har forvandlet seg til sin motstandsfase. Faktisk bruker mange ferrittkuleleverandører flere materialer for den samme ferrittkulen, eller minst som vist i databladet. Se figur 3. Alle 5 kurvene i denne figuren er for forskjellige 120 ohm ferrittkuler.
Det brukeren må få tak i er impedanskurven som viser frekvenskarakteristikkene til ferrittkulen. Et eksempel på en typisk impedanskurve er vist i figur 4.
Figur 4 viser et veldig viktig faktum. Denne delen er utpekt som en 50 ohm ferrittperle med en frekvens på 100 MHz, men dens delefrekvens er omtrent 500 MHz, og den oppnår mer enn 300 ohm mellom 1 og 2,5 GHz. Igjen, bare Å se på dataarket vil ikke gi brukeren beskjed om dette og kan være villedende.
Som vist i figuren varierer egenskapene til materialene. Det er mange varianter av ferritt som brukes til å lage ferrittkuler. Noen materialer er høyt tap, bredbånd, høy frekvens, lavt innsettingstap og så videre.Figur 5 viser den generelle grupperingen etter påføringsfrekvens og impedans.
Et annet vanlig problem er at kretskortdesignere noen ganger er begrenset til utvalget av ferrittkuler i deres godkjente komponentdatabase. Hvis selskapet bare har noen få ferrittkuler som er godkjent for bruk i andre produkter og anses som tilfredsstillende, i mange tilfeller, det er ikke nødvendig å evaluere og godkjenne andre materialer og delenumre. I den senere tid har dette gjentatte ganger ført til noen forverrende effekter av det opprinnelige EMI-støyproblemet beskrevet ovenfor. Den tidligere effektive metoden kan være aktuelt for neste prosjekt, eller den kan ikke være effektiv. Du kan ikke bare følge EMI-løsningen fra det forrige prosjektet, spesielt når frekvensen til det nødvendige signalet endres eller frekvensen til potensielle utstrålende komponenter som klokkeutstyr endres.
Hvis du ser på de to impedanskurvene i figur 6, kan du sammenligne materialeffektene til to like utpekte deler.
For disse to komponentene er impedansen ved 100 MHz 120 ohm. For delen til venstre, ved bruk av "B"-materialet, er den maksimale impedansen omtrent 150 ohm, og den realiseres ved 400 MHz. For delen til høyre , ved bruk av "D"-materialet, er den maksimale impedansen 700 ohm, som oppnås ved omtrent 700 MHz. Men den største forskjellen er delefrekvensen. Materialet B med ultrahøyt tap går over ved 6 MHz (R> XL) , mens det svært høyfrekvente "D"-materialet forblir induktivt på rundt 400 MHz. Hvilken del er den riktige å bruke? Det avhenger av hver enkelt applikasjon.
Figur 7 viser alle de vanlige problemene som oppstår når feil ferrittkuler velges for å undertrykke EMI. Det ufiltrerte signalet viser 474,5 mV underskudd på en 3,5V, 1 us-puls.
Som et resultat av å bruke et materiale med høy tapstype (senterplott), øker underskuddet til målingen på grunn av den høyere delefrekvensen. Signalunderskuddet økte fra 474,5 mV til 749,8 mV. Super High Loss-materialet har en lav delefrekvens og god ytelse. Det vil være det riktige materialet å bruke i denne applikasjonen (bildet til høyre). Underskuddet ved bruk av denne delen er redusert til 156,3 mV.
Når likestrømmen gjennom kulene øker, begynner kjernematerialet å mettes. For induktorer kalles dette metningsstrøm og angis som et prosentvis fall i induktansverdien. For ferrittkuler, når delen er i motstandsfasen, effekten av metning gjenspeiles i reduksjonen i impedansverdien med frekvensen. Dette fallet i impedansen reduserer effektiviteten til ferrittkulene og deres evne til å eliminere EMI (AC) støy. Figur 8 viser et sett med typiske DC-forspenningskurver for ferrittkuler.
I denne figuren er ferrittkulen vurdert til 100 ohm ved 100 MHz. Dette er den typiske målte impedansen når delen ikke har likestrøm. Det kan imidlertid sees at når en likestrøm påføres (for eksempel for IC VCC inngang), synker den effektive impedansen kraftig. I kurven ovenfor, for en strøm på 1,0 A, endres den effektive impedansen fra 100 ohm til 20 ohm. 100 MHz. Kanskje ikke for kritisk, men noe som designingeniøren må være oppmerksom på. Tilsvarende, ved kun å bruke de elektriske karakteristiske dataene av komponenten i leverandørens datablad, vil brukeren ikke være klar over dette DC-bias-fenomenet.
I likhet med høyfrekvente RF-induktorer har viklingsretningen til den indre spolen i ferrittperlen stor innflytelse på frekvenskarakteristikkene til perlen. Vikleretningen påvirker ikke bare forholdet mellom impedans og frekvensnivå, men endrer også frekvensresponsen. I figur 9 er to 1000 ohm ferrittkuler vist med samme husstørrelse og samme materiale, men med to forskjellige viklingskonfigurasjoner.
Spolene til venstre del er viklet på vertikalplanet og stablet i horisontal retning, noe som gir høyere impedans og høyere frekvensrespons enn delen på høyre side viklet i horisontalplanet og stablet i vertikal retning. Dette skyldes delvis til den lavere kapasitive reaktansen (XC) assosiert med den reduserte parasittiske kapasitansen mellom endeterminalen og den interne spolen. En lavere XC vil produsere en høyere selvresonansfrekvens, og deretter la impedansen til ferrittkulen fortsette å øke til den når en høyere selvresonansfrekvens, som er høyere enn standardstrukturen til ferrittkulen. Impedansverdien.Kurvene til de to ovennevnte 1000 ohm ferrittkulene er vist i figur 10.
For ytterligere å vise effekten av riktig og feil ferrittkulevalg, brukte vi en enkel testkrets og testbrett for å demonstrere det meste av innholdet som er diskutert ovenfor. I figur 11 viser testbrettet posisjonene til tre ferrittkuler og testpunktene merket "A", "B" og "C", som er plassert i avstanden fra senderutgangsenheten (TX).
Signalintegriteten måles på utgangssiden av ferrittkulene i hver av de tre posisjonene, og gjentas med to ferrittkuler laget av forskjellige materialer. Det første materialet, et lavfrekvent tapsgivende "S"-materiale, ble testet på punkter "A", "B" og "C". Deretter ble et høyere frekvens "D"-materiale brukt. Punkt-til-punkt-resultatene med disse to ferrittkulene er vist i figur 12.
Det "gjennom" ufiltrerte signalet vises i den midterste raden, og viser noe over- og undersving på henholdsvis stigende og fallende kanter. Det kan sees at ved bruk av riktig materiale for de ovennevnte testforholdene, viser det tapsgivende materialet med lavere frekvens god oversving. og underskuddssignalforbedring på de stigende og fallende kantene. Disse resultatene er vist i den øvre raden i figur 12. Resultatet av bruk av høyfrekvente materialer kan forårsake ringing, som forsterker hvert nivå og øker perioden med ustabilitet. Disse testresultatene er vist på nederste rad.
Når man ser på forbedringen av EMI med frekvens i den anbefalte øvre delen (Figur 12) i den horisontale skanningen vist i Figur 13, kan man se at for alle frekvenser reduserer denne delen EMI-spiker betydelig og reduserer det totale støynivået ved 30 til ca. I 350 MHz-området er det akseptable nivået langt under EMI-grensen markert med den røde linjen. Dette er den generelle regulatoriske standarden for klasse B-utstyr (FCC del 15 i USA). "S"-materialet som brukes i ferrittkuler brukes spesifikt for disse lavere frekvensene. Det kan sees at når frekvensen overstiger 350 MHz, "S"-materiale har en begrenset innvirkning på det originale, ufiltrerte EMI-støynivået, men det reduserer en stor topp ved 750 MHz med omtrent 6 dB. Hvis hoveddelen av EMI-støyproblemet er høyere enn 350 MHz, må du vurdere bruken av ferrittmaterialer med høyere frekvens hvis maksimale impedans er høyere i spekteret.
Selvfølgelig kan all ringing (som vist i den nederste kurven i figur 12) vanligvis unngås ved faktisk ytelsestesting og/eller simuleringsprogramvare, men det er å håpe at denne artikkelen vil tillate leserne å omgå mange vanlige feil og redusere behovet for å velg riktig ferrittperletid, og gi et mer "utdannet" utgangspunkt når ferrittperler er nødvendige for å løse EMI-problemer.
Til slutt er det best å godkjenne en serie eller serie med ferrittkuler, ikke bare et enkelt delenummer, for flere valgmuligheter og designfleksibilitet. Det skal bemerkes at forskjellige leverandører bruker forskjellige materialer, og frekvensytelsen til hver leverandør må gjennomgås , spesielt når det gjøres flere kjøp for samme prosjekt. Det er litt enkelt å gjøre dette første gang, men når delene er lagt inn i komponentdatabasen under et kontrollnummer, kan de brukes hvor som helst. Det viktige er at frekvensytelsen til deler fra forskjellige leverandører er veldig lik for å eliminere muligheten for andre applikasjoner i fremtiden. Problemet oppstod. Den beste måten er å få lignende data fra forskjellige leverandører, og i det minste ha en impedanskurve. Dette vil også sikre at de riktige ferrittkulene brukes til å løse EMI-problemet ditt.
Chris Burket har jobbet i TDK siden 1995 og er nå senior applikasjonsingeniør, som støtter et stort antall passive komponenter. Han har vært involvert i produktdesign, teknisk salg og markedsføring. Mr. Burket har skrevet og publisert tekniske artikler i mange fora. Mr. Burket har oppnådd tre amerikanske patenter på optiske/mekaniske brytere og kondensatorer.
In Compliance er hovedkilden til nyheter, informasjon, utdanning og inspirasjon for fagfolk innen elektro og elektronikk.
Luftfart Bilkommunikasjon Forbrukerelektronikk Utdanning Energi og kraftindustri Informasjonsteknologi Medisinsk militært og nasjonalt forsvar