Новини

Често срещана ситуация: Инженер-конструктор вмъква феритно зърно във верига, изпитваща проблеми с електромагнитната съвместимост, само за да открие, че зърното всъщност влошава нежелания шум. Как би могло да стане това? Не трябва ли феритните зърна да елиминират шумовата енергия, без да влошават проблема?
Отговорът на този въпрос е сравнително прост, но може да не бъде широко разбран, освен за тези, които прекарват по-голямата част от времето си в решаване на проблеми с EMI. Просто казано, феритните зърна не са феритни зърна, не са феритни зърна и т.н. Повечето производители на феритни зърна предоставят таблица, която изброява техния номер на част, импеданс при дадена честота (обикновено 100 MHz), DC съпротивление (DCR), максимален номинален ток и някои размери Информация (вижте таблица 1). Всичко е почти стандартно. Какво не е показано в данните лист е информацията за материала и съответните честотни работни характеристики.
Феритните зърна са пасивно устройство, което може да премахне шумовата енергия от веригата под формата на топлина. Магнитните зърна генерират импеданс в широк честотен диапазон, като по този начин елиминират цялата или част от нежеланата шумова енергия в този честотен диапазон. За приложения с постоянно напрежение ( като линията Vcc на IC), желателно е да имате ниска стойност на съпротивлението на постоянен ток, за да избегнете големи загуби на мощност в необходимия сигнал и/или напрежение или източник на ток (I2 x DCR загуба). Желателно е обаче да имате висок импеданс в определени честотни диапазони. Следователно импедансът е свързан с използвания материал (пропускливост), размера на феритното зърно, броя на намотките и структурата на намотката. Очевидно е, че при даден размер на корпуса и специфичен използван материал , колкото повече намотки, толкова по-висок е импедансът, но тъй като физическата дължина на вътрешната намотка е по-дълга, това също ще доведе до по-високо постоянно съпротивление. Номиналният ток на този компонент е обратно пропорционален на неговото постоянно съпротивление.
Един от основните аспекти на използването на феритни перли в EMI приложения е, че компонентът трябва да бъде във фаза на съпротивление. Какво означава това? Казано по-просто, това означава, че „R“ (AC съпротивление) трябва да бъде по-голямо от „XL“ (индуктивно реактивно съпротивление). При честоти, където XL> R (по-ниска честота), компонентът прилича повече на индуктор, отколкото на резистор. При честота R> XL частта се държи като резистор, което е задължителна характеристика на феритните перли. честота, при която „R“ става по-голямо от „XL“, се нарича честота на „кросоувър“. Това е показано на Фигура 1, където честотата на кросоувъра е 30 MHz в този пример и е маркирана с червена стрелка.
Друг начин да разгледаме това е от гледна точка на това, което компонентът действително изпълнява по време на своите фази на индуктивност и съпротивление. Както при други приложения, където импедансът на индуктора не е съгласуван, част от входящия сигнал се отразява обратно към източника. Това може осигурява известна защита за чувствителното оборудване от другата страна на феритната перла, но също така въвежда „L“ във веригата, което може да причини резонанс и трептене (звънене). Следователно, когато магнитните перли са все още индуктивни по природа, част от шумовата енергия ще се отрази и част от шумовата енергия ще премине, в зависимост от стойностите на индуктивността и импеданса.
Когато феритното зърно е в своята резистивна фаза, компонентът се държи като резистор, така че блокира шумовата енергия и абсорбира тази енергия от веригата и я абсорбира под формата на топлина. Въпреки че е конструиран по същия начин като някои индуктори, използвайки същият процес, производствена линия и технология, машини и някои от същите съставни материали, феритните зърна използват феритни материали със загуби, докато индукторите използват материал с желязо и кислород с ниски загуби. Това е показано на кривата на фигура 2.
Фигурата показва [μ''], което отразява поведението на феритния перлен материал със загуби.
Фактът, че импедансът е даден на 100 MHz, също е част от проблема за избора. В много случаи на EMI, импедансът при тази честота е без значение и е подвеждащ. Стойността на тази „точка“ не показва дали импедансът се увеличава, намалява , става плосък и импедансът достига своята пикова стойност при тази честота и дали материалът все още е във фазата си на индуктивност или се е трансформирал във фазата на съпротивление. Всъщност много доставчици на феритни перли използват множество материали за една и съща феритна перла, или поне както е показано в информационния лист. Вижте фигура 3. Всичките 5 криви на тази фигура са за различни феритни перли от 120 ома.
След това, това, което потребителят трябва да получи, е кривата на импеданса, показваща честотните характеристики на феритната перла. Пример за типична крива на импеданса е показан на Фигура 4.
Фигура 4 показва много важен факт. Тази част е обозначена като 50 ома феритна перла с честота 100 MHz, но нейната кръстосана честота е около 500 MHz и постига повече от 300 ома между 1 и 2,5 GHz. Отново, просто гледането на информационния лист няма да позволи на потребителя да разбере това и може да бъде подвеждащо.
Както е показано на фигурата, свойствата на материалите варират. Има много варианти на ферит, използван за направата на феритни перли. Някои материали са с големи загуби, широколентови, висока честота, ниска загуба на вмъкване и т.н. Фигура 5 показва общото групиране по честота на приложение и импеданс.
Друг често срещан проблем е, че дизайнерите на печатни платки понякога са ограничени до избора на феритни зърна в тяхната одобрена база данни за компоненти. Ако компанията има само няколко феритни зърна, които са одобрени за използване в други продукти и се считат за задоволителни, в много случаи, не е необходимо да се оценяват и одобряват други материали и номера на части. В близкото минало това многократно е довело до някои утежняващи ефекти от първоначалния проблем с EMI шума, описан по-горе. Предишният ефективен метод може да бъде приложим за следващия проект или може да не е ефективно. Не можете просто да следвате EMI ​​решението от предишния проект, особено когато се промени честотата на необходимия сигнал или честотата на потенциалните излъчващи компоненти, като например часовниково оборудване.
Ако погледнете двете криви на импеданса на Фигура 6, можете да сравните материалните ефекти на две подобни обозначени части.
За тези два компонента импедансът при 100 MHz е 120 ома. За частта отляво, използвайки материала „B“, максималният импеданс е около 150 ома и се реализира при 400 MHz. За частта отдясно , като се използва материалът „D“, максималният импеданс е 700 ома, което се постига при приблизително 700 MHz. Но най-голямата разлика е честотата на кросоувъра. Материалът „B“ с ултрависоки загуби преминава при 6 MHz (R> XL) , докато материалът „D“ с много висока честота остава индуктивен при около 400 MHz. Коя част е правилната за използване? Зависи от всяко отделно приложение.
Фигура 7 показва всички често срещани проблеми, които възникват, когато са избрани грешни феритни перли за потискане на EMI. Нефилтрираният сигнал показва 474,5 mV недостатъчно ниво при 3,5 V, 1 uS импулс.
В резултат на използването на материал с големи загуби (централна графика), недостатъчното отклонение на измерването се увеличава поради по-високата кръстосана честота на частта. Изместването на сигнала се увеличи от 474,5 mV на 749,8 mV. Материалът със свръхвисока загуба има ниска честота на кросоувър и добро представяне.Това ще бъде правилният материал за използване в това приложение (снимка вдясно). Подсечението при използване на тази част е намалено до 156,3 mV.
Тъй като постоянният ток през зърната се увеличава, материалът на сърцевината започва да се насища. За индукторите това се нарича ток на насищане и се определя като процент спад в стойността на индуктивността. За феритни зърна, когато частта е във фаза на съпротивление, ефектът на насищане се отразява в намаляването на стойността на импеданса с честотата. Този спад на импеданса намалява ефективността на феритните зърна и тяхната способност да елиминират EMI (AC) шума. Фигура 8 показва набор от типични DC криви на отклонение за феритни зърна.
На тази фигура феритното зърно е оценено на 100 ома при 100 MHz. Това е типичният измерен импеданс, когато частта няма постоянен ток. Въпреки това може да се види, че след прилагане на постоянен ток (например за IC VCC вход), ефективният импеданс спада рязко.В горната крива, за 1,0 A ток, ефективният импеданс се променя от 100 ома на 20 ома. 100 MHz. Може би не е твърде критично, но нещо, на което проектантът трябва да обърне внимание. По същия начин, като се използват само данните за електрическите характеристики на компонента в информационния лист на доставчика, потребителят няма да разбере за това явление на DC отклонение.
Подобно на високочестотните RF индуктори, посоката на навиване на вътрешната намотка във феритната перла има голямо влияние върху честотните характеристики на перлата. Посоката на навиване не само влияе на връзката между импеданса и честотното ниво, но също така променя честотната характеристика. На Фигура 9 са показани две феритни перли от 1000 ома с еднакъв размер на корпуса и от същия материал, но с две различни конфигурации на навиване.
Бобините на лявата част са навити във вертикалната равнина и подредени в хоризонтална посока, което произвежда по-висок импеданс и по-висока честотна характеристика от частта от дясната страна, навита в хоризонталната равнина и подредени във вертикална посока. Това отчасти се дължи към по-ниското капацитивно реактивно съпротивление (XC), свързано с намаления паразитен капацитет между крайния извод и вътрешната намотка. По-нисък XC ще произведе по-висока честота на собствения резонанс и след това ще позволи на импеданса на феритното зърно да продължи да се увеличава, докато стане достига по-висока собствена резонансна честота, която е по-висока от стандартната структура на феритната перла. Стойността на импеданса. Кривите на горните две феритни перли от 1000 ома са показани на Фигура 10.
За да покажем допълнително ефектите от правилен и неправилен избор на феритни перли, използвахме проста тестова верига и тестова платка, за да демонстрираме по-голямата част от съдържанието, обсъдено по-горе. На фигура 11 тестовата платка показва позициите на три феритни перли и маркирани тестови точки “A”, “B” и “C”, които са разположени на разстояние от предавателното изходно устройство (TX).
Целостта на сигнала се измерва на изходната страна на феритните зърна във всяка от трите позиции и се повтаря с две феритни зърна, направени от различни материали. Първият материал, нискочестотен „S“ материал с загуби, беше тестван в точки „A“, „B“ и „C“. След това беше използван материал „D“ с по-висока честота. Резултатите от точка до точка с помощта на тези две феритни перли са показани на Фигура 12.
„Чрез“ нефилтрираният сигнал се показва в средния ред, показвайки известно превишаване и подминаване на нарастващите и спадащи ръбове, съответно. Може да се види, че при използване на правилния материал за горните условия на изпитване, материалът с по-ниска честота на загуба показва добро превишаване и подобрение на сигнала за понижаване на нарастващите и спадащи ръбове. Тези резултати са показани в горния ред на Фигура 12. Резултатът от използването на високочестотни материали може да причини звънене, което усилва всяко ниво и увеличава периода на нестабилност. Тези резултати от теста са показано на долния ред.
Когато се разглежда подобряването на EMI с честота в препоръчителната горна част (Фигура 12) в хоризонталното сканиране, показано на Фигура 13, може да се види, че за всички честоти тази част значително намалява EMI пиковете и намалява общото ниво на шум при 30 до приблизително В обхвата от 350 MHz приемливото ниво е далеч под границата на EMI, маркирана с червената линия.Това е общият регулаторен стандарт за оборудване от клас B (FCC част 15 в Съединените щати). Материалът „S“, използван във феритни перли, се използва специално за тези по-ниски честоти. Може да се види, че след като честотата надвиши 350 MHz, Материалът „S“ има ограничено въздействие върху първоначалното, нефилтрирано ниво на EMI шум, но намалява големия пик при 750 MHz с около 6 dB. Ако основната част от проблема с EMI шума е по-висока от 350 MHz, трябва да обмислете използването на по-високочестотни феритни материали, чийто максимален импеданс е по-висок в спектъра.
Разбира се, всички звънения (както е показано в долната крива на Фигура 12) обикновено могат да бъдат избегнати чрез действително тестване на производителността и/или софтуер за симулация, но се надяваме, че тази статия ще позволи на читателите да заобиколят много често срещани грешки и да намалят необходимостта от изберете правилното време за феритни зърна и осигурете по-„образовани“ отправна точка, когато са необходими феритни зърна, за да помогнат за решаването на проблеми с EMI.
И накрая, най-добре е да одобрите серия или серия от феритни перли, а не само един номер на част, за повече възможности за избор и гъвкавост на дизайна. Трябва да се отбележи, че различните доставчици използват различни материали и честотното представяне на всеки доставчик трябва да бъде прегледано , особено когато са направени множество покупки за един и същ проект. Малко е лесно да направите това първия път, но след като частите бъдат въведени в базата данни на компонентите под контролен номер, те могат да се използват навсякъде.Важното е, че честотната характеристика на части от различни доставчици е много сходна, за да се елиминира възможността за други приложения в бъдеще. Проблемът възникна. Най-добрият начин е да получите подобни данни от различни доставчици и поне да имате импедансна крива. Това също така ще гарантира, че правилните феритни перли се използват за решаване на вашия проблем с EMI.
Крис Бъркет работи в TDK от 1995 г. и сега е старши инженер по приложения, поддържащ голям брой пасивни компоненти. Той е участвал в продуктов дизайн, технически продажби и маркетинг.Burket е написал и публикувал технически документи в много форуми.Burket получи три американски патента за оптични/механични превключватели и кондензатори.
In Compliance е основният източник на новини, информация, образование и вдъхновение за специалисти по електротехника и електронно инженерство.
Аерокосмическа индустрия Автомобилни комуникации Потребителска електроника Образование Енергетика и енергетика Информационни технологии Медицинска армия и национална отбрана