zprávy

Obvyklá situace: Konstruktér vloží feritovou kuličku do obvodu, který má problémy s EMC, jen aby zjistil, že kulička ve skutečnosti zhoršuje nežádoucí hluk. Jak by to mohlo být? Neměly by feritové kuličky eliminovat energii hluku, aniž by se problém zhoršil?
Odpověď na tuto otázku je poměrně jednoduchá, ale nemusí být široce pochopena s výjimkou těch, kteří tráví většinu času řešením problémů s EMI. Jednoduše řečeno, feritové kuličky nejsou feritové kuličky, nejsou feritové kuličky atd. Většina výrobců feritových korálků poskytuje tabulka, která uvádí jejich číslo dílu, impedanci na nějaké dané frekvenci (obvykle 100 MHz), stejnosměrný odpor (DCR), maximální jmenovitý proud a některé rozměry Informace (viz tabulka 1).Vše je téměř standardní.Co není uvedeno v datech list je informace o materiálu a odpovídající frekvenční výkonnostní charakteristiky.
Feritové kuličky jsou pasivní zařízení, které dokáže odstraňovat rušivou energii z obvodu ve formě tepla. Magnetické kuličky generují impedanci v širokém frekvenčním rozsahu, čímž eliminují veškerou nebo část nežádoucí šumové energie v tomto frekvenčním rozsahu. Pro aplikace se stejnosměrným napětím ( jako je vedení Vcc IC), je žádoucí mít nízkou hodnotu stejnosměrného odporu, aby se zabránilo velkým ztrátám výkonu v požadovaném signálu a/nebo zdroji napětí nebo proudu (ztráta I2 x DCR). Je však žádoucí mít vysoká impedance v určitých definovaných frekvenčních rozsazích. Impedance tedy souvisí s použitým materiálem (propustností), velikostí feritové housenky, počtem závitů a strukturou vinutí. Je zřejmé, že v dané velikosti pouzdra a konkrétním použitém materiálu Čím více vinutí, tím vyšší impedance, ale protože je fyzická délka vnitřní cívky delší, bude to mít také vyšší stejnosměrný odpor. Jmenovitý proud této součásti je nepřímo úměrný jejímu stejnosměrnému odporu.
Jedním ze základních aspektů použití feritových kuliček v aplikacích EMI je, že součástka musí být ve fázi odporu. Co to znamená? Jednoduše řečeno to znamená, že „R“ (AC odpor) musí být větší než „XL“ (indukční reaktance). Při frekvencích, kde XL> R (nižší frekvence) je součástka spíše induktorem než rezistorem. Při frekvenci R> XL se součást chová jako rezistor, což je požadovaná charakteristika feritových kuliček. frekvence, při které je „R“ větší než „XL“, se nazývá „dělicí“ frekvence. To je znázorněno na obrázku 1, kde je v tomto příkladu dělicí frekvence 30 MHz a je označena červenou šipkou.
Jiný způsob, jak se na to podívat, je z hlediska toho, co součást skutečně vykonává během fází indukčnosti a odporu. Stejně jako u jiných aplikací, kde impedance induktoru není přizpůsobena, část příchozího signálu se odráží zpět do zdroje. poskytuje určitou ochranu pro citlivé zařízení na druhé straně feritové kuličky, ale také zavádí do obvodu „L“, což může způsobit rezonanci a oscilace (zvonění). Proto, když jsou magnetické kuličky stále indukční povahy, část energie hluku se odrazí a část energie hluku projde v závislosti na hodnotách indukčnosti a impedance.
Když je feritová kulička ve své odporové fázi, součást se chová jako rezistor, takže blokuje energii šumu a absorbuje tuto energii z obvodu a absorbuje ji ve formě tepla. I když je konstruován stejným způsobem jako některé induktory, používá stejný proces, výrobní linka a technologie, strojní zařízení a některé ze stejných materiálů součástí, feritové kuličky používají ztrátové feritové materiály, zatímco induktory používají materiál železo-kyslík s nízkou ztrátou. To je znázorněno na křivce na obrázku 2.
Obrázek ukazuje [μ''], což odráží chování ztrátového materiálu feritových kuliček.
Skutečnost, že impedance je udávána na 100 MHz, je také součástí problému výběru. V mnoha případech EMI je impedance na této frekvenci irelevantní a zavádějící. Hodnota tohoto „bodu“ neudává, zda se impedance zvyšuje nebo snižuje. , zploští a impedance dosáhne své maximální hodnoty při této frekvenci a zda je materiál stále ve fázi indukčnosti nebo se transformoval do fáze odporu. Ve skutečnosti mnoho dodavatelů feritových kuliček používá více materiálů pro stejnou feritovou kuličku, nebo alespoň jak je znázorněno v datovém listu. Viz obrázek 3. Všech 5 křivek na tomto obrázku platí pro různé 120ohmové feritové kuličky.
Poté, co musí uživatel získat, je impedanční křivka ukazující frekvenční charakteristiky feritové kuličky. Příklad typické impedanční křivky je znázorněn na obrázku 4.
Obrázek 4 ukazuje velmi důležitou skutečnost. Tato část je označena jako 50 ohmová feritová kulička s frekvencí 100 MHz, ale její dělicí frekvence je asi 500 MHz a dosahuje více než 300 ohmů mezi 1 a 2,5 GHz. pohled na datový list to uživateli neoznámí a může být zavádějící.
Jak je znázorněno na obrázku, vlastnosti materiálů se liší. Existuje mnoho variant feritu používaných k výrobě feritových kuliček. Některé materiály jsou vysokoztrátové, širokopásmové, vysokofrekvenční, nízké vložné ztráty a tak dále. Obrázek 5 ukazuje obecné seskupení podle aplikační frekvence a impedance.
Dalším běžným problémem je, že návrháři desek plošných spojů jsou někdy omezeni na výběr feritových perliček ve své schválené databázi součástek. Pokud má společnost pouze několik feritových perliček, které byly schváleny pro použití v jiných produktech a jsou považovány za vyhovující, v mnoha případech, není nutné hodnotit a schvalovat další materiály a čísla dílů. V nedávné minulosti to opakovaně vedlo k některým přitěžujícím účinkům původního problému elektromagnetického šumu popsaného výše. Dříve účinná metoda může být použitelná pro další projekt, popř. nemusí být efektivní. Nemůžete jednoduše postupovat podle řešení EMI z předchozího projektu, zvláště když se změní frekvence požadovaného signálu nebo frekvence potenciálně vyzařujících komponent, jako je hodinové zařízení.
Pokud se podíváte na dvě impedanční křivky na obrázku 6, můžete porovnat materiálové efekty dvou podobných určených částí.
Pro tyto dvě součástky je impedance při 100 MHz 120 ohmů. Pro část nalevo s použitím materiálu „B“ je maximální impedance asi 150 ohmů a je realizována při 400 MHz. Pro část napravo , při použití materiálu „D“ je maximální impedance 700 ohmů, čehož je dosaženo při přibližně 700 MHz. Největším rozdílem je však dělicí frekvence. Materiál „B“ s ultra vysokou ztrátou přechází při 6 MHz (R> XL) , zatímco materiál „D“ s velmi vysokou frekvencí zůstává induktivní při frekvenci kolem 400 MHz. Která část je vhodná k použití? Záleží na každé jednotlivé aplikaci.
Obrázek 7 ukazuje všechny běžné problémy, ke kterým dochází, když jsou vybrány nesprávné feritové kuličky pro potlačení EMI. Nefiltrovaný signál ukazuje podkmit 474,5 mV při 3,5 V, 1 uS pulzu.
V důsledku použití materiálu s vysokou ztrátou (středový graf) se podkmit měření zvyšuje v důsledku vyšší dělicí frekvence součásti. Podkmit signálu se zvýšil z 474,5 mV na 749,8 mV. Materiál Super High Loss má nízká dělicí frekvence a dobrý výkon. Bude to správný materiál pro použití v této aplikaci (obrázek vpravo). Podkmit při použití této části je snížen na 156,3 mV.
Jak se stejnosměrný proud skrz kuličky zvyšuje, materiál jádra se začíná saturovat. U induktorů se tomu říká saturační proud a je specifikován jako procentuální pokles hodnoty indukčnosti. U feritových kuliček, když je součást ve fázi odporu, účinek saturace se odráží v poklesu hodnoty impedance s frekvencí. Tento pokles impedance snižuje účinnost feritových kuliček a jejich schopnost eliminovat EMI (AC) šum. Obrázek 8 ukazuje sadu typických křivek DC zkreslení pro feritové kuličky.
Na tomto obrázku je feritová kulička dimenzována na 100 ohmů při 100 MHz. Toto je typická naměřená impedance, když součást nemá žádný stejnosměrný proud. Je však vidět, že jakmile je přiveden stejnosměrný proud (například pro IC VCC vstupu), efektivní impedance prudce klesá. Ve výše uvedené křivce se pro proud 1,0 A mění efektivní impedance ze 100 ohmů na 20 ohmů. 100 MHz. Možná to není příliš kritické, ale je to něco, čemu musí konstruktér věnovat pozornost. Podobně, s použitím pouze dat elektrické charakteristiky komponenty v datovém listu dodavatele, uživatel si tohoto jevu DC zkreslení nebude vědom.
Stejně jako u vysokofrekvenčních vysokofrekvenčních induktorů má směr vinutí vnitřní cívky ve feritové kuličkě velký vliv na frekvenční charakteristiky kuličky. Směr vinutí neovlivňuje pouze vztah mezi impedancí a frekvenční úrovní, ale také mění frekvenční charakteristiku. Na obrázku 9 jsou znázorněny dvě 1000 ohmové feritové kuličky se stejnou velikostí pouzdra a ze stejného materiálu, ale se dvěma různými konfiguracemi vinutí.
Cívky levé části jsou navinuty ve vertikální rovině a naskládány v horizontálním směru, což vytváří vyšší impedanci a vyšší frekvenční odezvu než část na pravé straně vinutá ve vodorovné rovině a naskládaná ve vertikálním směru. na nižší kapacitní reaktanci (XC) spojenou se sníženou parazitní kapacitou mezi koncovým terminálem a vnitřní cívkou. Nižší XC bude produkovat vyšší vlastní rezonanční frekvenci a poté umožní, aby se impedance feritové kuličky dále zvyšovala, dokud dosahuje vyšší vlastní rezonanční frekvence, která je vyšší než standardní struktura feritové kuličky Hodnota impedance. Křivky výše uvedených dvou 1000 ohmových feritových kuliček jsou znázorněny na obrázku 10.
Abychom dále ukázali účinky správného a nesprávného výběru feritových kuliček, použili jsme jednoduchý testovací obvod a testovací desku k demonstraci většiny výše uvedeného obsahu. Na obrázku 11 ukazuje testovací deska polohy tří feritových kuliček a testovací body označené „A“, „B“ a „C“, které jsou umístěny ve vzdálenosti od zařízení s výstupem vysílače (TX).
Integrita signálu se měří na výstupní straně feritových kuliček v každé ze tří poloh a opakuje se se dvěma feritovými kuličkami vyrobenými z různých materiálů. První materiál, nízkofrekvenční ztrátový materiál „S“, byl testován v bodech „A“, „B“ a „C“. Dále byl použit materiál „D“ s vyšší frekvencí. Výsledky point-to-point s použitím těchto dvou feritových kuliček jsou znázorněny na obrázku 12.
V prostřední řadě se zobrazí „průchozí“ nefiltrovaný signál, který vykazuje určité překmity a podkmity na vzestupné a sestupné hraně. Je vidět, že při použití správného materiálu pro výše uvedené testovací podmínky vykazuje ztrátový materiál s nižší frekvencí dobré překmity a zlepšení signálu na náběžné a sestupné hraně. Tyto výsledky jsou uvedeny v horní řadě na obrázku 12. Výsledek použití vysokofrekvenčních materiálů může způsobit zvonění, které zesílí každou úroveň a prodlouží dobu nestability. Tyto výsledky testu jsou zobrazeno na spodním řádku.
Při pohledu na zlepšení EMI s frekvencí v doporučené horní části (obrázek 12) v horizontálním skenování znázorněném na obrázku 13 je vidět, že pro všechny frekvence tato část výrazně snižuje špičky EMI a snižuje celkovou hladinu hluku při 30 až přibližně V rozsahu 350 MHz je přijatelná úroveň hluboko pod limitem EMI zvýrazněným červenou čarou. Toto je obecný regulační standard pro zařízení třídy B (FCC část 15 ve Spojených státech). Materiál „S“ používaný ve feritových perličkách se speciálně používá pro tyto nižší frekvence. Je vidět, že jakmile frekvence překročí 350 MHz, Materiál „S“ má omezený vliv na původní, nefiltrovanou hladinu hluku EMI, ale snižuje hlavní špičku při 750 MHz asi o 6 dB. Pokud je hlavní část problému s EMI šumem vyšší než 350 MHz, musíte zvažte použití vysokofrekvenčních feritových materiálů, jejichž maximální impedance je ve spektru vyšší.
Samozřejmě, že veškerému zvonění (jak je znázorněno na spodní křivce na obrázku 12) se lze obvykle vyhnout skutečným testováním výkonu a/nebo simulačním softwarem, ale doufáme, že tento článek umožní čtenářům obejít mnoho běžných chyb a snížit potřebu vyberte správný čas feritové kuličky a poskytněte „vzdělanější“ výchozí bod, když jsou potřeba feritové kuličky k vyřešení problémů s EMI.
Nakonec je nejlepší schválit sérii nebo sérii feritových kuliček, nikoli pouze jedno číslo dílu, pro větší výběr a flexibilitu designu. Je třeba poznamenat, že různí dodavatelé používají různé materiály a frekvenční výkon každého dodavatele musí být přezkoumán. , zvláště když je provedeno více nákupů pro stejný projekt. Je to trochu snadné udělat to poprvé, ale jakmile jsou díly zadány do databáze komponent pod kontrolním číslem, lze je použít kdekoli. Důležité je, že frekvenční výkon dílů od různých dodavatelů je velmi podobný, aby se vyloučila možnost dalších aplikací v budoucnu. Problém nastal. Nejlepším způsobem je získat podobná data od různých dodavatelů a mít alespoň impedanční křivku. To také zajistí, že k vyřešení vašeho problému EMI budou použity správné feritové kuličky.
Chris Burket pracuje v TDK od roku 1995 a nyní je vedoucím aplikačním inženýrem, který podporuje velké množství pasivních komponent. Podílel se na produktovém designu, technickém prodeji a marketingu. Burket napsal a publikoval technické články na mnoha fórech. Burket získal tři americké patenty na optické/mechanické spínače a kondenzátory.
In Compliance je hlavním zdrojem zpráv, informací, vzdělávání a inspirace pro odborníky v elektrotechnice a elektrotechnice.
Letecký průmysl Automobilový průmysl Komunikace Spotřební elektronika Vzdělávání Energetika a energetika Informační technologie Zdravotnictví Vojenská a národní obrana