Новости

Обычная ситуация: инженер-конструктор вставляет ферритовую бусину в схему, испытывающую проблемы с ЭМС, только для того, чтобы обнаружить, что бусина на самом деле усиливает нежелательный шум. Как такое может быть? Разве ферритовые бусины не должны устранять энергию шума, не усугубляя проблему?
Ответ на этот вопрос довольно прост, но он может быть понятен не всем, за исключением тех, кто тратит большую часть времени на решение проблем с электромагнитными помехами. Проще говоря, ферритовые шарики не являются ферритовыми шариками, не ферритовыми шариками и т. д. Большинство производителей ферритовых шариков предоставляют таблица, в которой указаны их артикульный номер, полное сопротивление на некоторой заданной частоте (обычно 100 МГц), сопротивление постоянному току (DCR), максимальный номинальный ток и некоторые размеры. Информация (см. Таблицу 1). Все практически стандартно. Что не показано в данных Лист представляет собой информацию о материале и соответствующие частотные характеристики.
Ферритовые бусины представляют собой пассивное устройство, которое может удалять энергию шума из схемы в виде тепла. Магнитные бусины генерируют сопротивление в широком диапазоне частот, тем самым устраняя всю или часть нежелательной энергии шума в этом диапазоне частот. Для приложений постоянного напряжения ( например, линия Vcc микросхемы), желательно иметь низкое значение сопротивления постоянному току, чтобы избежать больших потерь мощности в требуемом сигнале и/или источнике напряжения или тока (потери I2 x DCR). Однако желательно иметь высокий импеданс в определенных определенных диапазонах частот. Таким образом, импеданс зависит от используемого материала (проницаемость), размера ферритового шарика, количества обмоток и структуры обмотки. Очевидно, что в данном размере корпуса и конкретном используемом материале Чем больше витков, тем выше импеданс, но поскольку физическая длина внутренней катушки больше, это также приведет к более высокому сопротивлению постоянному току. Номинальный ток этого компонента обратно пропорционален его сопротивлению постоянному току.
Одним из основных аспектов использования ферритовых шариков в приложениях с электромагнитными помехами является то, что компонент должен находиться в фазе сопротивления. Что это значит? Проще говоря, это означает, что «R» (сопротивление переменному току) должно быть больше, чем «XL» (индуктивное сопротивление). реактивное сопротивление). На частотах, где XL> R (более низкая частота), компонент больше похож на катушку индуктивности, чем на резистор. На частоте R> XL деталь ведет себя как резистор, что является обязательной характеристикой ферритовых бусин. Частота, при которой «R» становится больше, чем «XL», называется частотой «перехода». Это показано на рисунке 1, где в этом примере частота перехода составляет 30 МГц и отмечена красной стрелкой.
Другой способ взглянуть на это с точки зрения того, что на самом деле выполняет компонент во время фаз индуктивности и сопротивления. Как и в других приложениях, где импеданс индуктора не согласован, часть входящего сигнала отражается обратно к источнику. обеспечивают некоторую защиту чувствительного оборудования на другой стороне ферритовой бусины, но при этом в цепь вводится буква «L», что может вызвать резонанс и колебания (звон). Поэтому, когда магнитные бусины все еще имеют индуктивную природу, часть часть энергии шума будет отражена, а часть энергии шума пройдет, в зависимости от значений индуктивности и импеданса.
Когда ферритовый шарик находится в резистивной фазе, компонент ведет себя как резистор, то есть блокирует энергию шума, поглощает эту энергию из цепи и поглощает ее в виде тепла. Хотя он сконструирован так же, как и некоторые индукторы, с использованием тот же процесс, производственная линия и технология, оборудование и некоторые из тех же компонентов, ферритовые бусины используют ферритовые материалы с потерями, в то время как индукторы используют железо-кислородный материал с низкими потерями. Это показано на кривой на рисунке 2.
На рисунке показано значение [μ''], которое отражает поведение материала ферритовых шариков с потерями.
Тот факт, что импеданс задан на частоте 100 МГц, также является частью проблемы выбора. Во многих случаях электромагнитных помех импеданс на этой частоте не имеет значения и вводит в заблуждение. Значение этой «точки» не указывает на то, увеличивается или уменьшается импеданс. , становится плоским, и импеданс достигает своего максимального значения на этой частоте, независимо от того, находится ли материал все еще в фазе индуктивности или перешел в фазу сопротивления. Фактически, многие поставщики ферритовых шариков используют несколько материалов для одного и того же ферритового шарика или по крайней мере, как показано в технических характеристиках. См. рисунок 3. Все 5 кривых на этом рисунке относятся к различным ферритовым шарикам сопротивлением 120 Ом.
Затем пользователь должен получить кривую импеданса, показывающую частотные характеристики ферритового шарика. Пример типичной кривой импеданса показан на рисунке 4.
На рисунке 4 показан очень важный факт. Эта деталь обозначена как ферритовая бусина сопротивлением 50 Ом и частотой 100 МГц, но ее частота разделения составляет около 500 МГц, и она достигает более 300 Ом в диапазоне от 1 до 2,5 ГГц. Опять же, просто просмотр технических данных не позволит пользователю узнать об этом и может ввести в заблуждение.
Как показано на рисунке, свойства материалов различаются. Существует множество вариантов феррита, используемого для изготовления ферритовых шариков. Некоторые материалы имеют высокие потери, широкополосные, высокочастотные, низкие вносимые потери и т. д. На рисунке 5 показана общая группировка по Частота применения и импеданс.
Другая распространенная проблема заключается в том, что разработчики печатных плат иногда ограничиваются выбором ферритовых шариков из своей базы данных утвержденных компонентов. Если у компании есть только несколько ферритовых шариков, которые были одобрены для использования в других продуктах и ​​считаются удовлетворительными, во многих случаях нет необходимости оценивать и утверждать другие материалы и номера деталей. В недавнем прошлом это неоднократно приводило к некоторым усугубляющим последствиям исходной проблемы с шумом EMI, описанной выше. Ранее эффективный метод может быть применим к следующему проекту или он может быть неэффективным. Вы не можете просто следовать решению EMI предыдущего проекта, особенно когда меняется частота требуемого сигнала или частота потенциальных излучающих компонентов, таких как часовое оборудование.
Если вы посмотрите на две кривые импеданса на рисунке 6, вы сможете сравнить влияние материала на две одинаковые детали.
Для этих двух компонентов сопротивление на частоте 100 МГц составляет 120 Ом. Для детали слева с использованием материала «В» максимальное сопротивление составляет около 150 Ом и реализуется на частоте 400 МГц. Для детали справа При использовании материала «D» максимальное сопротивление составляет 700 Ом, что достигается примерно на частоте 700 МГц. Но самая большая разница — это частота разделения каналов. Материал «B» со сверхвысокими потерями переходит на частоте 6 МГц (R> XL) , в то время как очень высокочастотный материал «D» остается индуктивным на частоте около 400 МГц. Какую часть использовать правильно? Это зависит от каждого отдельного применения.
На рисунке 7 показаны все распространенные проблемы, возникающие при выборе неправильных ферритовых шариков для подавления электромагнитных помех. Нефильтрованный сигнал показывает отклонение 474,5 мВ при импульсе 3,5 В, длительностью 1 мкс.
В результате использования материала с высокими потерями (центральный график) отклонение от измерения увеличивается из-за более высокой частоты разделения детали. Отклонение сигнала увеличилось с 474,5 мВ до 749,8 мВ. низкая частота разделения и хорошая производительность.Этот материал будет подходящим для использования в данном приложении (рисунок справа). При использовании этой детали недорегулирование снижается до 156,3 мВ.
По мере увеличения постоянного тока через шарики материал сердечника начинает насыщаться. Для индукторов это называется током насыщения и определяется как процентное падение значения индуктивности. Для ферритовых шариков, когда деталь находится в фазе сопротивления, Эффект насыщения отражается в уменьшении значения импеданса с частотой. Такое падение импеданса снижает эффективность ферритовых бусин и их способность устранять электромагнитные помехи (переменный ток). На рисунке 8 показан набор типичных кривых смещения постоянного тока для ферритовых бусин.
На этом рисунке ферритовый шарик рассчитан на сопротивление 100 Ом при частоте 100 МГц. Это типичное измеренное сопротивление, когда в детали нет постоянного тока. Однако можно видеть, что после подачи постоянного тока (например, для IC VCC вход), эффективное сопротивление резко падает.На приведенной выше кривой для тока 1,0 А эффективное сопротивление изменяется от 100 Ом до 20 Ом. 100 МГц. Возможно, это не слишком критично, но на это должен обратить внимание инженер-конструктор. Аналогично, используя только данные электрических характеристик компонента в паспорте поставщика, пользователь не будет знать об этом явлении смещения постоянного тока.
Как и в случае с высокочастотными ВЧ-индукторами, направление намотки внутренней катушки в ферритовом шарике оказывает большое влияние на частотные характеристики шарика. Направление намотки не только влияет на соотношение между сопротивлением и уровнем частоты, но и изменяет частотную характеристику. На рисунке 9 показаны две ферритовые бусины сопротивлением 1000 Ом с одинаковым размером корпуса и одним и тем же материалом, но с двумя разными конфигурациями обмотки.
Катушки левой части намотаны в вертикальной плоскости и уложены в горизонтальном направлении, что обеспечивает более высокий импеданс и более высокую частотную характеристику, чем катушки правой части, намотанные в горизонтальной плоскости и уложенные в вертикальном направлении. Частично это связано с к более низкому емкостному реактивному сопротивлению (XC), связанному с уменьшением паразитной емкости между концевым выводом и внутренней катушкой. Более низкое значение XC приведет к более высокой частоте собственного резонанса, а затем позволит импедансу ферритового шарика продолжать увеличиваться до тех пор, пока он не достигнет более низкого емкостного реактивного сопротивления (XC). достигает более высокой частоты собственного резонанса, которая выше, чем у стандартной структуры ферритового шарика. Значение импеданса. Кривые двух вышеупомянутых ферритовых шариков на 1000 Ом показаны на рисунке 10.
Чтобы дополнительно продемонстрировать влияние правильного и неправильного выбора ферритовых шариков, мы использовали простую тестовую схему и тестовую плату, чтобы продемонстрировать большую часть обсуждаемого выше содержимого. На рисунке 11 тестовая плата показывает положения трех ферритовых шариков и отмеченные контрольные точки. «А», «В» и «С», которые расположены на расстоянии от устройства выхода передатчика (TX).
Целостность сигнала измеряется на выходе ферритовых шариков в каждом из трех положений и повторяется с двумя ферритовыми шариками, изготовленными из разных материалов. Первый материал, низкочастотный материал «S» с потерями, был протестирован в точках «A», «B» и «C». Далее был использован более высокочастотный материал «D». Результаты двухточечных измерений с использованием этих двух ферритовых шариков показаны на рисунке 12.
«Сквозной» нефильтрованный сигнал отображается в среднем ряду, демонстрируя некоторые перерегулирования и недорегулирования на нарастающем и спадающем фронтах соответственно. Можно видеть, что при использовании материала, подходящего для вышеуказанных условий испытаний, материал с потерями на более низкой частоте показывает хорошее перерегулирование. и улучшение сигнала ниже уровня нарастающего и спадающего фронтов. Эти результаты показаны в верхнем ряду рисунка 12. Результат использования высокочастотных материалов может вызвать звон, который усиливает каждый уровень и увеличивает период нестабильности. Эти результаты испытаний показано в нижнем ряду.
Если посмотреть на улучшение ЭМП с частотой в рекомендуемой верхней части (рис. 12) в горизонтальной развертке, показанной на рис. 13, можно увидеть, что для всех частот эта часть значительно уменьшает выбросы ЭМП и снижает общий уровень шума на уровне 30. примерно до В диапазоне 350 МГц приемлемый уровень намного ниже предела электромагнитных помех, отмеченного красной линией.Это общий нормативный стандарт для оборудования класса B (FCC, часть 15 в США). Материал «S», используемый в ферритовых шариках, специально используется для этих более низких частот. Видно, что, как только частота превышает 350 МГц, Материал «S» оказывает ограниченное влияние на первоначальный, нефильтрованный уровень электромагнитных помех, но снижает основной всплеск на частоте 750 МГц примерно на 6 дБ. Если основная часть проблемы с шумом EMI превышает 350 МГц, вам необходимо рассмотрите возможность использования более высокочастотных ферритовых материалов, максимальный импеданс которых выше в спектре.
Конечно, всех звонков (как показано на нижней кривой на рис. 12) обычно можно избежать с помощью реального тестирования производительности и/или программного обеспечения для моделирования, но есть надежда, что эта статья позволит читателям обойти многие распространенные ошибки и уменьшит необходимость выберите правильное время ферритовых шариков и предоставьте более «обученную» отправную точку, когда ферритовые шарики необходимы для решения проблем с электромагнитными помехами.
Наконец, лучше всего одобрить серию или серию ферритовых бусин, а не только один номер детали, чтобы обеспечить больший выбор и гибкость конструкции. Следует отметить, что разные поставщики используют разные материалы, и частотные характеристики каждого поставщика должны быть проверены. , особенно когда для одного и того же проекта совершается несколько закупок. В первый раз это сделать немного несложно, но как только детали вводятся в базу данных компонентов под контрольным номером, их можно использовать где угодно.Важно то, что частотные характеристики деталей от разных поставщиков очень схожи, чтобы исключить возможность их использования в будущем. Возникла проблема. Лучший способ — получить аналогичные данные от разных поставщиков и, по крайней мере, иметь кривую импеданса. Это также гарантирует, что для решения вашей проблемы с электромагнитными помехами используются правильные ферритовые шарики.
Крис Буркет работает в TDK с 1995 года и в настоящее время является старшим инженером по приложениям, занимающимся поддержкой большого количества пассивных компонентов. Он занимался разработкой продукции, техническими продажами и маркетингом.Буркет написал и опубликовал технические статьи на многих форумах.Беркет получил три патента США на оптические/механические переключатели и конденсаторы.
In Compliance — главный источник новостей, информации, образования и вдохновения для специалистов в области электротехники и электроники.
Аэрокосмическая промышленность Автомобильная связь Бытовая электроника Образование Энергетика Информационные технологии Медицина Военная и национальная оборона