správy

Bežná situácia: Konštruktér vloží feritovú guľôčku do obvodu, ktorý má problémy s EMC, len aby zistil, že guľôčka skutočne zhoršuje nežiaduci hluk. Ako by to mohlo byť? Nemali by feritové guľôčky eliminovať energiu hluku bez toho, aby sa problém zhoršil?
Odpoveď na túto otázku je pomerne jednoduchá, ale nemusí byť všeobecne pochopená, s výnimkou tých, ktorí trávia väčšinu času riešením problémov EMI. Jednoducho povedané, feritové guľôčky nie sú feritové guľôčky, nie feritové guľôčky atď. Väčšina výrobcov feritových guľôčok poskytuje tabuľka, v ktorej je uvedené ich číslo dielu, impedancia pri určitej frekvencii (zvyčajne 100 MHz), jednosmerný odpor (DCR), maximálny menovitý prúd a niektoré rozmery Informácie (pozri tabuľku 1).Všetko je takmer štandardné.Čo nie je uvedené v údajoch list je informácia o materiáli a zodpovedajúce frekvenčné výkonové charakteristiky.
Feritové guľôčky sú pasívne zariadenie, ktoré dokáže odstrániť rušivú energiu z obvodu vo forme tepla. Magnetické guľôčky generujú impedanciu v širokom frekvenčnom rozsahu, čím eliminujú všetku alebo časť nežiaducej energie šumu v tomto frekvenčnom rozsahu. Pre aplikácie s jednosmerným napätím ( ako je vedenie Vcc integrovaného obvodu), je žiaduce mať nízku hodnotu odporu jednosmerného prúdu, aby sa predišlo veľkým stratám výkonu v požadovanom signáli a/alebo zdroji napätia alebo prúdu (I2 x strata DCR). Je však žiaduce mať vysoká impedancia v určitých definovaných frekvenčných rozsahoch. Impedancia teda súvisí s použitým materiálom (priepustnosťou), veľkosťou feritovej guľôčky, počtom závitov a štruktúrou vinutia. Je zrejmé, že v danej veľkosti puzdra a špecifickom použitom materiáli , čím viac vinutí, tým vyššia je impedancia, ale keďže je fyzická dĺžka vnútornej cievky dlhšia, vytvorí sa tým aj vyšší jednosmerný odpor. Menovitý prúd tohto komponentu je nepriamo úmerný jeho jednosmernému odporu.
Jedným zo základných aspektov používania feritových guľôčok v aplikáciách EMI je, že súčiastka musí byť vo fáze odporu. Čo to znamená? Zjednodušene to znamená, že „R“ (odpor AC) musí byť väčší ako „XL“ (indukčný reaktancia). Pri frekvenciách, kde XL> R (nižšia frekvencia) sa súčiastka podobá skôr induktoru ako odporu. Pri frekvencii R> XL sa súčiastka správa ako odpor, čo je požadovaná charakteristika feritových guľôčok. frekvencia, pri ktorej sa „R“ stáva väčším ako „XL“, sa nazýva „medzná“ frekvencia. Je to znázornené na obrázku 1, kde je v tomto príklade medzná frekvencia 30 MHz a je označená červenou šípkou.
Iný spôsob, ako sa na to pozrieť, je z hľadiska toho, čo komponent skutočne vykonáva počas svojej indukčnej a odporovej fázy. Rovnako ako v iných aplikáciách, kde impedancia induktora nie je prispôsobená, časť prichádzajúceho signálu sa odráža späť do zdroja. poskytuje určitú ochranu pre citlivé zariadenia na druhej strane feritovej guľôčky, ale tiež zavádza „L“ do obvodu, čo môže spôsobiť rezonanciu a osciláciu (zvonenie). Preto, keď sú magnetické guľôčky stále indukčného charakteru energie hluku sa odrazí a časť energie hluku prejde v závislosti od hodnôt indukčnosti a impedancie.
Keď je feritová guľôčka vo svojej odporovej fáze, súčiastka sa správa ako rezistor, takže blokuje energiu šumu a absorbuje túto energiu z obvodu a absorbuje ju vo forme tepla. Hoci je skonštruovaný rovnakým spôsobom ako niektoré induktory, používa rovnaký proces, výrobná linka a technológia, strojové zariadenia a niektoré rovnaké materiály komponentov, feritové guľôčky používajú stratové feritové materiály, zatiaľ čo induktory používajú materiál železo-kyslík s nízkou stratou. To je znázornené na krivke na obrázku 2.
Obrázok ukazuje [μ''], čo odráža správanie stratového materiálu feritových guľôčok.
Fakt, že impedancia je udávaná pri 100 MHz, je tiež súčasťou problému výberu. V mnohých prípadoch EMI je impedancia na tejto frekvencii irelevantná a zavádzajúca. Hodnota tohto „bodu“ neudáva, či sa impedancia zvyšuje alebo znižuje. , stane sa plochým a impedancia dosiahne svoju špičkovú hodnotu pri tejto frekvencii a či je materiál stále vo fáze indukčnosti alebo sa transformoval do fázy odporu. V skutočnosti mnohí dodávatelia feritových guľôčok používajú pre rovnakú feritovú guľôčku viacero materiálov, resp. aspoň tak, ako je uvedené v údajovom liste. Pozri obrázok 3. Všetkých 5 kriviek na tomto obrázku je pre rôzne 120 ohmové feritové guľôčky.
Potom musí používateľ získať krivku impedancie zobrazujúcu frekvenčné charakteristiky feritovej guľôčky. Príklad typickej krivky impedancie je znázornený na obrázku 4.
Obrázok 4 ukazuje veľmi dôležitý fakt. Táto časť je označená ako 50 ohmová feritová guľôčka s frekvenciou 100 MHz, ale jej medzná frekvencia je približne 500 MHz a dosahuje viac ako 300 ohmov medzi 1 a 2,5 GHz. prezeranie údajového listu to používateľovi neoznámi a môže byť zavádzajúce.
Ako je znázornené na obrázku, vlastnosti materiálov sa líšia. Existuje mnoho variantov feritu používaných na výrobu feritových guľôčok. Niektoré materiály sú vysokostratové, širokopásmové, vysokofrekvenčné, nízke vložné straty atď. aplikačná frekvencia a impedancia.
Ďalším bežným problémom je, že dizajnéri dosiek plošných spojov sa niekedy obmedzujú na výber feritových guľôčok vo svojej schválenej databáze komponentov. Ak má spoločnosť len niekoľko feritových guľôčok, ktoré boli schválené na použitie v iných produktoch a sú považované za uspokojivé, v mnohých prípadoch, nie je potrebné hodnotiť a schvaľovať iné materiály a čísla dielov. V nedávnej minulosti to opakovane viedlo k niektorým priťažujúcim účinkom pôvodného problému EMI šumu opísaného vyššie. Predtým účinná metóda môže byť použiteľná pre ďalší projekt, resp. Nemôžete jednoducho postupovať podľa riešenia EMI z predchádzajúceho projektu, najmä ak sa mení frekvencia požadovaného signálu alebo frekvencia potenciálnych vyžarujúcich komponentov, ako sú hodinové zariadenia.
Ak sa pozriete na dve krivky impedancie na obrázku 6, môžete porovnať materiálové efekty dvoch podobných označených častí.
Pre tieto dva komponenty je impedancia pri 100 MHz 120 ohmov. Pre časť vľavo s použitím materiálu „B“ je maximálna impedancia asi 150 ohmov a je realizovaná pri 400 MHz. Pre časť vpravo , pri použití materiálu „D“ je maximálna impedancia 700 ohmov, čo je dosiahnuté pri približne 700 MHz. Najväčším rozdielom je však medzná frekvencia. Materiál „B“ s ultravysokou stratou prechádza pri 6 MHz (R> XL) , zatiaľ čo materiál „D“ s veľmi vysokou frekvenciou zostáva indukčný pri frekvencii okolo 400 MHz. Ktorá časť je vhodná na použitie? Závisí to od každej jednotlivej aplikácie.
Obrázok 7 zobrazuje všetky bežné problémy, ktoré sa vyskytujú, keď sú vybraté nesprávne feritové guľôčky na potlačenie EMI. Nefiltrovaný signál ukazuje podkmit 474,5 mV pri impulze 3,5 V, 1 uS.
V dôsledku použitia materiálu s vysokou stratou (stredový graf) sa podkmit merania zväčší v dôsledku vyššej deliacej frekvencie dielu. Podkmit signálu sa zvýšil zo 474,5 mV na 749,8 mV. Materiál Super High Loss má nízka medzná frekvencia a dobrý výkon. Bude to správny materiál na použitie v tejto aplikácii (obrázok vpravo). Podkmit pri použití tejto časti je znížený na 156,3 mV.
Keď sa jednosmerný prúd cez guľôčky zvyšuje, materiál jadra sa začína saturovať. Pre induktory sa to nazýva saturačný prúd a je špecifikovaný ako percentuálny pokles hodnoty indukčnosti. Pre feritové guľôčky, keď je časť vo fáze odporu, efekt saturácie sa odráža v znížení hodnoty impedancie s frekvenciou. Tento pokles impedancie znižuje účinnosť feritových guľôčok a ich schopnosť eliminovať EMI (AC) šum. Obrázok 8 ukazuje súbor typických kriviek DC odchýlky pre feritové guľôčky.
Na tomto obrázku je feritová guľôčka dimenzovaná na 100 ohmov pri 100 MHz. Toto je typická nameraná impedancia, keď súčiastka nemá žiadny jednosmerný prúd. Je však možné vidieť, že po privedení jednosmerného prúdu (napríklad pre IC VCC vstup), efektívna impedancia prudko klesá. Vo vyššie uvedenej krivke sa pri prúde 1,0 A mení efektívna impedancia zo 100 ohmov na 20 ohmov. 100 MHz. Možno to nie je príliš kritické, ale niečo, čomu musí dizajnér venovať pozornosť. komponentu v údajovom liste dodávateľa, používateľ si nebude vedomý tohto javu DC skreslenia.
Rovnako ako vysokofrekvenčné RF tlmivky má smer vinutia vnútornej cievky vo feritovej guľôčke veľký vplyv na frekvenčné charakteristiky guľôčky. Smer vinutia ovplyvňuje nielen vzťah medzi impedanciou a frekvenčnou úrovňou, ale mení aj frekvenčnú charakteristiku. Na obrázku 9 sú zobrazené dve 1000 ohmové feritové guľôčky s rovnakou veľkosťou puzdra a rovnakým materiálom, ale s dvoma rôznymi konfiguráciami vinutia.
Cievky ľavej časti sú navinuté vo vertikálnej rovine a naskladané v horizontálnom smere, čo vytvára vyššiu impedanciu a vyššiu frekvenčnú odozvu ako časť na pravej strane navinutá vo vodorovnej rovine a naskladaná vo vertikálnom smere. na nižšiu kapacitnú reaktanciu (XC) spojenú so zníženou parazitnou kapacitou medzi koncovou svorkou a vnútornou cievkou. Nižšia XC bude produkovať vyššiu samorezonančnú frekvenciu a potom umožní, aby sa impedancia feritovej guľôčky naďalej zvyšovala, kým dosahuje vyššiu vlastnú rezonančnú frekvenciu, ktorá je vyššia ako štandardná štruktúra feritovej guľôčky Hodnota impedancie. Krivky vyššie uvedených dvoch 1000 ohmových feritových guľôčok sú znázornené na obrázku 10.
Aby sme ďalej ukázali účinky správneho a nesprávneho výberu feritových guľôčok, použili sme jednoduchý testovací obvod a skúšobnú dosku na demonštráciu väčšiny vyššie uvedeného obsahu. Na obrázku 11 skúšobná doska zobrazuje polohy troch feritových guľôčok a testovacie body označené „A“, „B“ a „C“, ktoré sú umiestnené vo vzdialenosti od zariadenia na výstup vysielača (TX).
Integrita signálu sa meria na výstupnej strane feritových guľôčok v každej z troch pozícií a opakuje sa s dvoma feritovými guľôčkami vyrobenými z rôznych materiálov. Prvý materiál, nízkofrekvenčný stratový "S" materiál, bol testovaný v bodoch „A“, „B“ a „C“. Ďalej bol použitý materiál „D“ s vyššou frekvenciou. Výsledky point-to-point s použitím týchto dvoch feritových guľôčok sú znázornené na obrázku 12.
„Cez“ nefiltrovaný signál je zobrazený v strednom riadku a vykazuje určité prekmity a podkmity na stúpajúcej a klesajúcej hrane. Je vidieť, že pri použití správneho materiálu pre vyššie uvedené podmienky testu vykazuje stratový materiál s nižšou frekvenciou dobré prekmity a zlepšenie signálu na nábežnej a klesajúcej hrane. Tieto výsledky sú uvedené v hornom riadku na obrázku 12. Výsledok použitia vysokofrekvenčných materiálov môže spôsobiť zvonenie, ktoré zosilňuje každú úroveň a zvyšuje obdobie nestability. Tieto výsledky testov sú zobrazené v spodnom riadku.
Pri pohľade na zlepšenie EMI s frekvenciou v odporúčanej hornej časti (obrázok 12) v horizontálnom skenovaní znázornenom na obrázku 13 je možné vidieť, že pre všetky frekvencie táto časť výrazne znižuje špičky EMI a znižuje celkovú hladinu hluku pri 30 do približne V rozsahu 350 MHz je prijateľná úroveň hlboko pod limitom EMI zvýrazneným červenou čiarou. Toto je všeobecný regulačný štandard pre zariadenia triedy B (FCC časť 15 v Spojených štátoch). Materiál „S“ používaný vo feritových guľôčkach sa špecificky používa pre tieto nižšie frekvencie. Je zrejmé, že keď frekvencia prekročí 350 MHz, Materiál „S“ má obmedzený vplyv na pôvodnú, nefiltrovanú hladinu hluku EMI, ale redukuje hlavný skok pri frekvencii 750 MHz približne o 6 dB. Ak je hlavná časť problému so šumom EMI vyššia ako 350 MHz, musíte zvážte použitie vysokofrekvenčných feritových materiálov, ktorých maximálna impedancia je v spektre vyššia.
Samozrejme, každému zvoneniu (ako je znázornené na spodnej krivke na obrázku 12) sa dá zvyčajne vyhnúť pomocou skutočného testovania výkonu a/alebo simulačného softvéru, ale dúfame, že tento článok umožní čitateľom obísť mnohé bežné chyby a zníži potrebu vyberte správny čas feritovej guľôčky a poskytnite „vzdelanejší“ východiskový bod, keď sú potrebné feritové guľôčky na pomoc pri riešení problémov s EMI.
Nakoniec je najlepšie schváliť sériu alebo sériu feritových guľôčok, nie iba jedno číslo dielu, pre väčší výber a flexibilitu dizajnu. Treba poznamenať, že rôzni dodávatelia používajú rôzne materiály a frekvenčný výkon každého dodávateľa sa musí prehodnotiť. , najmä ak sa pre ten istý projekt uskutoční viacero nákupov. Je to trochu jednoduché urobiť to prvýkrát, ale akonáhle sú diely zadané do databázy komponentov pod kontrolným číslom, môžu sa použiť kdekoľvek. Dôležité je, že frekvenčný výkon dielov od rôznych dodávateľov je veľmi podobný, aby sa eliminovala možnosť ďalších aplikácií v budúcnosti. Problém nastal. Najlepším spôsobom je získať podobné údaje od rôznych dodávateľov a mať aspoň impedančnú krivku. Tým sa tiež zaistí, že sa na vyriešenie problému s EMI použijú správne feritové guľôčky.
Chris Burket pracuje v TDK od roku 1995 a teraz je senior aplikačným inžinierom, ktorý podporuje veľké množstvo pasívnych komponentov. Zaoberá sa dizajnom produktov, technickým predajom a marketingom. Burket napísal a publikoval technické články na mnohých fórach. Burket získal tri americké patenty na optické/mechanické spínače a kondenzátory.
In Compliance je hlavným zdrojom správ, informácií, vzdelávania a inšpirácie pre odborníkov v elektrotechnike a elektrotechnike.
Letectvo Automobilový priemysel Komunikácia Spotrebná elektronika Vzdelávanie Energetika a energetika Informačné technológie Zdravotníctvo, armáda a národná obrana