știri

O situație obișnuită: un inginer proiectant inserează o sferă de ferită într-un circuit care se confruntă cu probleme EMC, doar pentru a descoperi că sferele de zgomot nedorite de fapt înrăutățesc. Cum ar putea fi acest lucru?
Răspunsul la această întrebare este destul de simplu, dar este posibil să nu fie înțeles pe scară largă, cu excepția celor care petrec cea mai mare parte a timpului rezolvând problemele EMI. Mai simplu spus, margelele de ferită nu sunt margele de ferită, nu mărgele de ferită etc. Majoritatea producătorilor de margele de ferită oferă un tabel care enumeră numărul lor de piesă, impedanța la o anumită frecvență (de obicei 100 MHz), rezistența DC (DCR), curentul nominal maxim și unele dimensiuni Informații (a se vedea tabelul 1). Totul este aproape standard. Ceea ce nu este afișat în date fișa este informațiile despre material și caracteristicile corespunzătoare de performanță a frecvenței.
Perlele de ferită sunt un dispozitiv pasiv care poate elimina energia de zgomot din circuit sub formă de căldură. Perlele magnetice generează impedanță într-o gamă largă de frecvențe, eliminând astfel toată sau o parte a energiei de zgomot nedorit din acest interval de frecvență. Pentru aplicații cu tensiune DC ( cum ar fi linia Vcc a unui circuit integrat), este de dorit să existe o valoare scăzută a rezistenței DC pentru a evita pierderile mari de putere în semnalul și/sau sursa de tensiune sau curent necesară (I2 x pierderi DCR). Cu toate acestea, este de dorit să existe impedanță ridicată în anumite intervale de frecvență definite. Prin urmare, impedanța este legată de materialul utilizat (permeabilitate), dimensiunea granulelor de ferită, numărul de înfășurări și structura înfășurării. Evident, într-o anumită dimensiune a carcasei și materialul specific utilizat , cu cât sunt mai multe înfășurări, cu atât impedanța este mai mare, dar pe măsură ce lungimea fizică a bobinei interne este mai mare, aceasta va produce și o rezistență DC mai mare. Curentul nominal al acestei componente este invers proporțional cu rezistența DC.
Unul dintre aspectele de bază ale utilizării granulelor de ferită în aplicațiile EMI este că componenta trebuie să fie în faza de rezistență. Ce înseamnă? Mai simplu spus, aceasta înseamnă că „R” (rezistența AC) trebuie să fie mai mare decât „XL” (inductiv). reactanță). La frecvențele în care XL> R (frecvență mai mică), componenta este mai mult ca un inductor decât un rezistor. La frecvența R> XL, piesa se comportă ca un rezistor, care este o caracteristică necesară a bilelor de ferită. frecvența la care „R” devine mai mare decât „XL” se numește frecvență de „încrucișare”. Aceasta este prezentată în Figura 1, unde frecvența de încrucișare este de 30 MHz în acest exemplu și este marcată cu o săgeată roșie.
Un alt mod de a privi acest lucru este în ceea ce privește ceea ce efectuează de fapt componenta în timpul fazelor sale de inductanță și rezistență. Ca și în alte aplicații în care impedanța inductorului nu este potrivită, o parte a semnalului de intrare este reflectată înapoi la sursă. oferă o anumită protecție pentru echipamentele sensibile de pe cealaltă parte a perlei de ferită, dar introduce, de asemenea, „L” în circuit, ceea ce poate provoca rezonanță și oscilație (sunet). Prin urmare, atunci când margelele magnetice sunt încă de natură inductivă, parțial din energia de zgomot va fi reflectată și o parte din energia de zgomot va trece, în funcție de valorile inductanței și impedanței.
Când perla de ferită este în faza sa rezistivă, componenta se comportă ca un rezistor, deci blochează energia de zgomot și absoarbe acea energie din circuit și o absoarbe sub formă de căldură. Deși este construită în același mod ca unele inductori, folosind Același proces, linie de producție și tehnologie, mașini și unele dintre aceleași materiale componente, mărgele de ferită folosesc materiale de ferită cu pierderi, în timp ce inductoarele folosesc material oxigen de fier cu pierderi reduse. Acest lucru este prezentat în curba din figura 2.
Figura arată [μ''], care reflectă comportamentul materialului de bile de ferită cu pierderi.
Faptul că impedanța este dată la 100 MHz face, de asemenea, parte din problema de selecție. În multe cazuri de EMI, impedanța la această frecvență este irelevantă și înșelătoare. Valoarea acestui „punct” nu indică dacă impedanța crește, scade , devine plată, iar impedanța atinge valoarea de vârf la această frecvență și dacă materialul este încă în faza de inductanță sau s-a transformat în faza de rezistență. De fapt, mulți furnizori de sferele de ferită folosesc mai multe materiale pentru aceeași sferă de ferită sau cel puțin așa cum se arată în fișa de date. Vezi Figura 3. Toate cele 5 curbe din această figură sunt pentru diferite bile de ferită de 120 ohmi.
Apoi, ceea ce trebuie să obțină utilizatorul este curba de impedanță care arată caracteristicile de frecvență ale perlei de ferită. Un exemplu de curbă de impedanță tipică este prezentat în Figura 4.
Figura 4 arată un fapt foarte important. Această parte este desemnată ca o perlă de ferită de 50 ohmi cu o frecvență de 100 MHz, dar frecvența sa de încrucișare este de aproximativ 500 MHz și atinge mai mult de 300 ohmi între 1 și 2,5 GHz. Din nou, doar examinarea fișei de date nu va permite utilizatorului să știe acest lucru și poate induce în eroare.
După cum se arată în figură, proprietățile materialelor variază. Există multe variante de ferită utilizate pentru a face margele de ferită. Unele materiale sunt pierderi mari, bandă largă, frecvență înaltă, pierderi reduse de inserție și așa mai departe. Figura 5 arată gruparea generală după frecvența de aplicare și impedanța.
O altă problemă comună este că proiectanții de plăci de circuite sunt limitați uneori la selecția de perle de ferită din baza lor de date de componente aprobată. Dacă compania are doar câteva margele de ferită care au fost aprobate pentru utilizare în alte produse și sunt considerate satisfăcătoare, în multe cazuri, nu este necesar să se evalueze și să aprobe alte materiale și numere de piese. În trecutul recent, acest lucru a dus în mod repetat la unele efecte agravante ale problemei de zgomot EMI inițiale descrise mai sus. Metoda eficientă anterior poate fi aplicabilă următorului proiect sau s-ar putea să nu fie eficient. Nu puteți urmări pur și simplu soluția EMI a proiectului anterior, mai ales atunci când se modifică frecvența semnalului necesar sau se modifică frecvența componentelor potențiale care radiază, cum ar fi echipamentele de ceas.
Dacă vă uitați la cele două curbe de impedanță din Figura 6, puteți compara efectele materiale ale două părți similare desemnate.
Pentru aceste două componente, impedanța la 100 MHz este de 120 ohmi. Pentru partea din stânga, folosind materialul „B”, impedanța maximă este de aproximativ 150 ohmi și este realizată la 400 MHz. Pentru partea din dreapta , folosind materialul „D”, impedanța maximă este de 700 ohmi, care este atinsă la aproximativ 700 MHz. Dar cea mai mare diferență este frecvența de încrucișare. Materialul „B” cu pierderi foarte mari trece la 6 MHz (R> XL) , în timp ce materialul „D” de foarte înaltă frecvență rămâne inductiv la aproximativ 400 MHz. Care parte este cea corectă de utilizat? Depinde de fiecare aplicație individuală.
Figura 7 prezintă toate problemele obișnuite care apar atunci când sunt selectate bile de ferită greșite pentru a suprima EMI. Semnalul nefiltrat arată o depășire de 474,5 mV la un impuls de 3,5 V, 1 uS.
În rezultatul utilizării unui material de tip cu pierderi mari (centre plot), depășirea de măsurare crește datorită frecvenței de încrucișare mai mare a piesei. frecvență de încrucișare scăzută și performanță bună.Acesta va fi materialul potrivit pentru a utiliza în această aplicație (imaginea din dreapta). Depășirea care utilizează această parte este redusă la 156,3 mV.
Pe măsură ce curentul continuu prin margele crește, materialul miezului începe să se satureze. Pentru inductori, acesta se numește curent de saturație și este specificat ca o scădere procentuală a valorii inductanței. Pentru margelele de ferită, când piesa este în faza de rezistență, efectul saturației se reflectă în scăderea valorii impedanței cu frecvența. Această scădere a impedanței reduce eficiența bilelor de ferită și capacitatea acestora de a elimina zgomotul EMI (AC).
În această figură, perla de ferită este evaluată la 100 ohmi la 100 MHz. Aceasta este impedanța măsurată tipică atunci când piesa nu are curent continuu. Cu toate acestea, se poate observa că odată ce este aplicat un curent continuu (de exemplu, pentru IC VCC intrare), impedanța efectivă scade brusc.În curba de mai sus, pentru un curent de 1,0 A, impedanța efectivă se modifică de la 100 ohmi la 20 ohmi.100 MHz. Poate nu prea critic, dar la care inginerul proiectant trebuie să-i acorde atenție. În mod similar, folosind doar datele caracteristicilor electrice a componentei din fișa de date a furnizorului, utilizatorul nu va fi conștient de acest fenomen DC bias.
La fel ca inductoarele RF de înaltă frecvență, direcția de înfășurare a bobinei interioare în sferul de ferită are o mare influență asupra caracteristicilor de frecvență ale sferului. Direcția de înfășurare nu afectează numai relația dintre impedanță și nivelul de frecvență, dar modifică și răspunsul în frecvență. În Figura 9, sunt prezentate două bile de ferită de 1000 ohmi cu aceeași dimensiune a carcasei și același material, dar cu două configurații diferite de înfășurare.
Bobinele părții din stânga sunt înfășurate în plan vertical și stivuite în direcția orizontală, ceea ce produce o impedanță mai mare și un răspuns de frecvență mai mare decât partea din partea dreaptă înfășurată în plan orizontal și stivuite în direcția verticală. Acest lucru se datorează parțial. la reactanța capacitivă inferioară (XC) asociată cu capacitatea parazită redusă dintre terminalul de capăt și bobina internă. Un XC mai mic va produce o frecvență de auto-rezonanță mai mare și apoi va permite ca impedanța perlei de ferită să continue să crească până când atinge o frecvență de auto-rezonanță mai mare, care este mai mare decât structura standard a perlei de ferită Valoarea impedanței. Curbele celor două perle de ferită de 1000 ohmi de mai sus sunt prezentate în Figura 10.
Pentru a arăta în continuare efectele selecției corecte și incorecte ale granulelor de ferită, am folosit un circuit de testare simplu și o placă de testare pentru a demonstra majoritatea conținutului discutat mai sus. În Figura 11, placa de testare arată pozițiile a trei perle de ferită și punctele de testare marcate. „A”, „B” și „C”, care sunt situate la distanță de dispozitivul de ieșire a transmițătorului (TX).
Integritatea semnalului este măsurată pe partea de ieșire a perlelor de ferită în fiecare dintre cele trei poziții și se repetă cu două perle de ferită din materiale diferite. Primul material, un material „S” cu pierderi de joasă frecvență, a fost testat în puncte. „A”, „B” și „C”. În continuare, a fost utilizat un material „D” cu frecvență mai mare. Rezultatele punct la punct utilizând aceste două bile de ferită sunt prezentate în Figura 12.
Semnalul nefiltrat „prin” este afișat în rândul din mijloc, arătând o oarecare depășire și depășire pe marginile în creștere și, respectiv, în coborâre. Se poate observa că, folosind materialul corect pentru condițiile de testare de mai sus, materialul cu pierderi de frecvență inferioară prezintă o depășire bună. și îmbunătățirea semnalului de depășire pe marginile în creștere și în coborâre. Aceste rezultate sunt afișate în rândul superior al figurii 12. Rezultatul utilizării materialelor de înaltă frecvență poate provoca sunete, care amplifică fiecare nivel și crește perioada de instabilitate. Aceste rezultate ale testelor sunt afișat pe rândul de jos.
Când ne uităm la îmbunătățirea EMI cu frecvența în partea superioară recomandată (Figura 12) în scanarea orizontală prezentată în Figura 13, se poate observa că pentru toate frecvențele, această parte reduce semnificativ vârfurile EMI și reduce nivelul general de zgomot la 30. până la aproximativ În intervalul de 350 MHz, nivelul acceptabil este mult sub limita EMI evidențiată de linia roșie.Acesta este standardul general de reglementare pentru echipamentele de clasă B (FCC Partea 15 în Statele Unite). Materialul „S” utilizat în perlele de ferită este utilizat în mod special pentru aceste frecvențe inferioare. Se poate observa că odată ce frecvența depășește 350 MHz, Materialul „S” are un impact limitat asupra nivelului de zgomot EMI original, nefiltrat, dar reduce un vârf major la 750 MHz cu aproximativ 6 dB. Dacă partea principală a problemei de zgomot EMI este mai mare de 350 MHz, trebuie să luați în considerare utilizarea materialelor de ferită cu frecvență mai mare a căror impedanță maximă este mai mare în spectru.
Desigur, toate sunete (așa cum se arată în curba de jos din Figura 12) pot fi de obicei evitate prin testarea performanței reale și/sau software-ul de simulare, dar se speră că acest articol va permite cititorilor să ocolească multe greșeli comune și să reducă nevoia de a selectați timpul corect al granulelor de ferită și oferiți un punct de plecare mai „educat” atunci când sunt necesare perle de ferită pentru a ajuta la rezolvarea problemelor EMI.
În cele din urmă, cel mai bine este să aprobați o serie sau o serie de margele de ferită, nu doar un singur număr de piesă, pentru mai multe opțiuni și flexibilitate de proiectare. Trebuie remarcat faptul că diferiți furnizori folosesc materiale diferite, iar performanța de frecvență a fiecărui furnizor trebuie revizuită. , mai ales când se fac mai multe achiziții pentru același proiect. Este puțin ușor să faceți acest lucru prima dată, dar odată ce piesele sunt introduse în baza de date a componentelor sub un număr de control, acestea pot fi apoi folosite oriunde.Important este că performanța de frecvență a pieselor de la diferiți furnizori este foarte asemănătoare pentru a elimina posibilitatea altor aplicații în viitor. Problema a apărut.Cea mai bună modalitate este să obțineți date similare de la diferiți furnizori și să aveți cel puțin o curbă de impedanță. Acest lucru va asigura, de asemenea, că perlele de ferită corecte sunt utilizate pentru a rezolva problema dvs. EMI.
Chris Burket lucrează la TDK din 1995 și acum este inginer senior de aplicații, care sprijină un număr mare de componente pasive. El a fost implicat în proiectarea produsului, vânzări tehnice și marketing.Burket a scris și publicat lucrări tehnice în multe forumuri.Burket a obținut trei brevete americane privind întrerupătoarele și condensatoarele optice/mecanice.
In Compliance este principala sursă de știri, informații, educație și inspirație pentru profesioniștii în inginerie electrică și electronică.
Aerospațial Automobile Comunicații Electronice de consum Educație Energie și energie Industria Tehnologia informației Medicală Militară și Apărare națională