Notícies

Una situació comuna: un enginyer de disseny insereix una perla de ferrita en un circuit que experimenta problemes d'EMC, només per descobrir que la perla realment empitjora el soroll no desitjat. Com podria ser això? Les perles de ferrita no haurien d'eliminar l'energia del soroll sense empitjorar el problema?
La resposta a aquesta pregunta és bastant simple, però pot ser que no s'entengui àmpliament excepte per a aquells que passen la major part del temps solucionant problemes d'EMI. En poques paraules, les perles de ferrita no són perles de ferrita, no perles de ferrita, etc. La majoria dels fabricants de perles de ferrita ofereixen una taula que enumera el seu número de peça, la impedància a una freqüència determinada (normalment 100 MHz), la resistència de CC (DCR), el corrent nominal màxim i algunes dimensions Informació (vegeu la taula 1). Tot és gairebé estàndard. El que no es mostra a les dades full és la informació del material i les característiques de rendiment de freqüència corresponents.
Les perles de ferrita són un dispositiu passiu que pot eliminar l'energia del soroll del circuit en forma de calor. Les perles magnètiques generen impedància en un ampli rang de freqüències, eliminant així tota o part de l'energia del soroll no desitjat en aquest rang de freqüències. Per a aplicacions de tensió CC ( com la línia Vcc d'un circuit integrat), és desitjable tenir un valor de resistència de CC baix per evitar grans pèrdues de potència en el senyal requerit i/o la font de tensió o corrent (pèrdua I2 x DCR). No obstant això, és desitjable tenir alta impedància en determinats rangs de freqüències definits. Per tant, la impedància està relacionada amb el material utilitzat (permeabilitat), la mida de la perla de ferrita, el nombre de bobinatges i l'estructura de bobinatge. Òbviament, en una mida de carcassa determinada i material específic utilitzat , com més bobinatges, més gran serà la impedància, però com que la longitud física de la bobina interna és més llarga, això també produirà una major resistència de CC. El corrent nominal d'aquest component és inversament proporcional a la seva resistència de CC.
Un dels aspectes bàsics de l'ús de perles de ferrita en aplicacions EMI és que el component ha d'estar en fase de resistència. Què vol dir? En poques paraules, això vol dir que "R" (resistència de CA) ha de ser més gran que "XL" (inductiu). reactància). A freqüències on XL> R (freqüència més baixa), el component s'assembla més a un inductor que a una resistència. A la freqüència de R> XL, la peça es comporta com una resistència, que és una característica necessària de les perles de ferrita. La freqüència a la qual "R" es fa més gran que "XL" s'anomena freqüència "de creuament". Això es mostra a la figura 1, on la freqüència d'encreuament és de 30 MHz en aquest exemple i està marcada per una fletxa vermella.
Una altra manera de veure-ho és en termes del que realment fa el component durant les seves fases d'inductància i resistència. Igual que amb altres aplicacions on la impedància de l'inductor no coincideix, part del senyal entrant es reflecteix de nou a la font. proporcionar una certa protecció per als equips sensibles a l'altre costat de la perla de ferrita, però també introdueix "L" al circuit, que pot provocar ressonància i oscil·lació (sonada). Per tant, quan les perles magnètiques encara són de naturalesa inductiva, part de l'energia del soroll es reflectirà i passarà part de l'energia del soroll, en funció dels valors d'inductància i impedància.
Quan la perla de ferrita es troba en la seva fase resistiva, el component es comporta com una resistència, de manera que bloqueja l'energia del soroll i absorbeix aquesta energia del circuit, i l'absorbeix en forma de calor. Encara que està construït de la mateixa manera que alguns inductors, utilitzant el mateix procés, línia de producció i tecnologia, maquinària i alguns dels mateixos materials components, les perles de ferrita utilitzen materials de ferrita amb pèrdues, mentre que els inductors utilitzen material d'oxigen de ferro de baixa pèrdua. Això es mostra a la corba de la figura 2.
La figura mostra [μ''], que reflecteix el comportament del material de perles de ferrita amb pèrdues.
El fet que la impedància es doni a 100 MHz també forma part del problema de selecció. En molts casos d'EMI, la impedància a aquesta freqüència és irrellevant i enganyosa. El valor d'aquest "punt" no indica si la impedància augmenta, disminueix. , es torna plana i la impedància arriba al seu valor màxim a aquesta freqüència, i si el material encara es troba en la seva fase d'inductància o s'ha transformat en la seva fase de resistència. De fet, molts proveïdors de perles de ferrita utilitzen diversos materials per a la mateixa perla de ferrita, o almenys tal com es mostra a la fitxa de dades. Vegeu la figura 3. Les 5 corbes d'aquesta figura són per a diferents perles de ferrita de 120 ohms.
Aleshores, el que l'usuari ha d'obtenir és la corba d'impedància que mostra les característiques de freqüència de la perla de ferrita. A la figura 4 es mostra un exemple d'una corba d'impedància típica.
La figura 4 mostra un fet molt important. Aquesta part està designada com una perla de ferrita de 50 ohms amb una freqüència de 100 MHz, però la seva freqüència d'encreuament és d'uns 500 MHz, i aconsegueix més de 300 ohms entre 1 i 2,5 GHz. De nou, només mirar el full de dades no ho farà saber a l'usuari i pot ser enganyós.
Com es mostra a la figura, les propietats dels materials varien. Hi ha moltes variants de ferrita utilitzades per fer perles de ferrita. Alguns materials són de gran pèrdua, banda ampla, alta freqüència, baixa pèrdua d'inserció, etc. La figura 5 mostra l'agrupació general per freqüència d'aplicació i impedància.
Un altre problema comú és que els dissenyadors de plaques de circuit de vegades es limiten a la selecció de perles de ferrita a la seva base de dades de components aprovada. Si l'empresa només té unes quantes perles de ferrita que s'han aprovat per al seu ús en altres productes i es consideren satisfactòries, en molts casos, no és necessari avaluar i aprovar altres materials i números de peça. En el passat recent, això ha provocat repetidament alguns efectes agreujants del problema de soroll EMI original descrit anteriorment. El mètode anteriorment eficaç pot ser aplicable al següent projecte, o bé Pot ser que no sigui efectiu. No podeu seguir simplement la solució EMI del projecte anterior, especialment quan canvia la freqüència del senyal requerit o la freqüència dels components radiants potencials, com ara l'equip de rellotge.
Si observeu les dues corbes d'impedància de la figura 6, podeu comparar els efectes materials de dues parts designades similars.
Per a aquests dos components, la impedància a 100 MHz és de 120 ohms. Per a la part de l'esquerra, utilitzant el material "B", la impedància màxima és d'uns 150 ohms i es realitza a 400 MHz. Per a la part de la dreta , utilitzant el material "D", la impedància màxima és de 700 ohms, que s'aconsegueix a aproximadament 700 MHz. Però la diferència més gran és la freqüència d'encreuament. El material "B" de pèrdua ultra alta passa a 6 MHz (R> XL) , mentre que el material "D" de molt alta freqüència segueix sent inductiu al voltant de 400 MHz. Quina part és la correcta per utilitzar? Depèn de cada aplicació individual.
La figura 7 mostra tots els problemes habituals que es produeixen quan es seleccionen les perles de ferrita incorrectes per suprimir l'EMI. El senyal sense filtrar mostra un nivell inferior de 474,5 mV en un pols de 3,5 V i 1 uS.
Com a resultat de l'ús d'un material de tipus d'alta pèrdua (gràfic del centre), el relleu inferior de la mesura augmenta a causa de la freqüència d'encreuament més alta de la peça. La baixada del senyal va augmentar de 474,5 mV a 749,8 mV. El material de pèrdua súper alta té un baixa freqüència de creuament i bon rendiment.Serà el material adequat per utilitzar-lo en aquesta aplicació (imatge de la dreta). L'excés inferior amb aquesta part es redueix a 156,3 mV.
A mesura que augmenta el corrent continu a través de les perles, el material del nucli comença a saturar-se. Per als inductors, això s'anomena corrent de saturació i s'especifica com una caiguda percentual del valor d'inductància. Per a les perles de ferrita, quan la peça està en fase de resistència, el L'efecte de la saturació es reflecteix en la disminució del valor de la impedància amb la freqüència. Aquesta caiguda de la impedància redueix l'eficàcia de les perles de ferrita i la seva capacitat per eliminar el soroll EMI (AC).
En aquesta figura, la perla de ferrita està valorada a 100 ohms a 100 MHz. Aquesta és la impedància mesurada típica quan la peça no té corrent continu. No obstant això, es pot veure que un cop s'aplica un corrent continu (per exemple, per a IC VCC). entrada), la impedància efectiva disminueix bruscament.A la corba anterior, per a un corrent d'1,0 A, la impedància efectiva canvia de 100 ohms a 20 ohms. 100 MHz. Potser no és massa crític, però una cosa a la qual l'enginyer dissenyador ha de prestar atenció. De la mateixa manera, utilitzant només les dades de les característiques elèctriques del component a la fitxa del proveïdor, l'usuari no serà conscient d'aquest fenomen de biaix de CC.
Igual que els inductors de RF d'alta freqüència, la direcció de bobinat de la bobina interna a la perla de ferrita té una gran influència en les característiques de freqüència de la perla. La direcció de bobinatge no només afecta la relació entre la impedància i el nivell de freqüència, sinó que també canvia la resposta de freqüència. A la figura 9, es mostren dues perles de ferrita de 1000 ohms amb la mateixa mida de la carcassa i el mateix material, però amb dues configuracions de bobinat diferents.
Les bobines de la part esquerra s'enrotllen en el pla vertical i s'apilen en la direcció horitzontal, la qual cosa produeix una major impedància i una resposta de freqüència més alta que la part de la part dreta enrotllada en el pla horitzontal i s'apilen en la direcció vertical. Això es deu en part. a la reactància capacitiva inferior (XC) associada a la capacitat paràsita reduïda entre el terminal final i la bobina interna. Una XC més baixa produirà una freqüència d'autoressonància més alta i, a continuació, permetrà que la impedància de la perla de ferrita continuï augmentant fins que arriba a una freqüència d'autoressonància més alta, que és superior a l'estructura estàndard de la perla de ferrita El valor d'impedància. Les corbes de les dues perles de ferrita de 1000 ohm anteriors es mostren a la figura 10.
Per mostrar encara més els efectes de la selecció correcta i incorrecta de les perles de ferrita, hem utilitzat un circuit de prova senzill i una placa de prova per demostrar la major part del contingut comentat anteriorment. A la figura 11, el tauler de prova mostra les posicions de tres perles de ferrita i els punts de prova marcats. "A", "B" i "C", que es troben a la distància del dispositiu de sortida del transmissor (TX).
La integritat del senyal es mesura al costat de sortida de les perles de ferrita en cadascuna de les tres posicions i es repeteix amb dues perles de ferrita fetes de diferents materials. El primer material, un material "S" amb pèrdues de baixa freqüència, es va provar en punts. "A", "B" i "C". A continuació, es va utilitzar un material "D" de freqüència més alta. Els resultats punt a punt amb aquestes dues perles de ferrita es mostren a la figura 12.
El senyal sense filtre "a través" es mostra a la fila del mig, mostrant una mica d'excés i de rebasament a les vores ascendents i descendents, respectivament. Es pot veure que utilitzant el material correcte per a les condicions de prova anteriors, el material amb pèrdua de freqüència més baixa mostra un bon sobrepassament. i millora del senyal inferior a les vores de pujada i baixada. Aquests resultats es mostren a la fila superior de la figura 12. El resultat de l'ús de materials d'alta freqüència pot provocar un timbre, que amplifica cada nivell i augmenta el període d'inestabilitat. Aquests resultats de la prova són es mostra a la fila inferior.
Quan es mira la millora de l'EMI amb la freqüència a la part superior recomanada (Figura 12) a l'exploració horitzontal que es mostra a la Figura 13, es pot veure que per a totes les freqüències, aquesta part redueix significativament els pics d'EMI i redueix el nivell de soroll global a 30. a aproximadament En el rang de 350 MHz, el nivell acceptable està molt per sota del límit EMI ressaltat per la línia vermella.Aquest és l'estàndard regulador general per a equips de classe B (FCC Part 15 als Estats Units). El material "S" utilitzat en les perles de ferrita s'utilitza específicament per a aquestes freqüències més baixes. Es pot veure que una vegada que la freqüència supera els 350 MHz, el El material "S" té un impacte limitat en el nivell de soroll EMI original sense filtrar, però redueix un pic important a 750 MHz en uns 6 dB. Si la part principal del problema de soroll EMI és superior a 350 MHz, cal que considereu l'ús de materials de ferrita de freqüència més alta la impedància màxima dels quals és més alta en l'espectre.
Per descomptat, tots els sons (com es mostra a la corba inferior de la figura 12) normalment es poden evitar mitjançant proves de rendiment real i/o programari de simulació, però s'espera que aquest article permeti als lectors evitar molts errors comuns i reduir la necessitat de seleccioneu el temps correcte de la perla de ferrita i proporcioneu un punt de partida més "educat" quan es necessiten perles de ferrita per ajudar a resoldre problemes d'EMI.
Finalment, el millor és aprovar una sèrie o sèrie de perles de ferrita, no només un número de peça únic, per obtenir més opcions i flexibilitat de disseny. Cal tenir en compte que els diferents proveïdors utilitzen materials diferents i s'ha de revisar el rendiment de la freqüència de cada proveïdor. , especialment quan es fan diverses compres per al mateix projecte. És una mica fàcil fer-ho la primera vegada, però un cop s'introdueixen les peces a la base de dades de components amb un número de control, es poden utilitzar a qualsevol lloc.L'important és que el rendiment de freqüència de peces de diferents proveïdors sigui molt similar per eliminar la possibilitat d'altres aplicacions en el futur. El problema es va produir. La millor manera és obtenir dades similars de diferents proveïdors, i almenys tenir una corba d'impedància. Això també garantirà que s'utilitzen les perles de ferrita correctes per resoldre el vostre problema d'EMI.
Chris Burket treballa a TDK des de 1995 i ara és un enginyer sènior d'aplicacions, donant suport a un gran nombre de components passius. Ha participat en el disseny de productes, vendes tècniques i màrqueting.Mr.Burket ha escrit i publicat articles tècnics en molts fòrums.Burket ha obtingut tres patents nord-americanes sobre interruptors i condensadors òptics/mecànics.
In Compliance és la principal font de notícies, informació, educació i inspiració per als professionals de l'enginyeria elèctrica i electrònica.
Aeroespacial Automoció Comunicacions Electrònica de consum Educació Energia i energia Indústria Tecnologies de la informació Medicina Militar i Defensa Nacional