noticias

Unha situación común: un enxeñeiro de deseño insire unha perla de ferrita nun circuíto que experimenta problemas de compatibilidade electromagnética, só para descubrir que a perla en realidade empeora o ruído non desexado. Como podería ser isto? As perlas de ferrita non deberían eliminar a enerxía do ruído sen empeorar o problema?
A resposta a esta pregunta é bastante sinxela, pero quizais non se entenda amplamente, excepto para aqueles que pasan a maior parte do tempo resolvendo problemas de EMI.Simplemente, as perlas de ferrita non son perlas de ferrita, non son perlas de ferrita, etc. A maioría dos fabricantes de contas de ferrita ofrecen unha táboa que enumera o seu número de peza, a impedancia nunha determinada frecuencia (xeralmente 100 MHz), a resistencia de CC (DCR), a corrente nominal máxima e algunhas dimensións Información (ver a táboa 1). Todo é case estándar. O que non se mostra nos datos folla é a información do material e as características de rendemento de frecuencia correspondentes.
As perlas de ferrita son un dispositivo pasivo que pode eliminar a enerxía de ruído do circuíto en forma de calor. As perlas magnéticas xeran impedancia nun amplo rango de frecuencias, eliminando así toda ou parte da enerxía de ruído non desexada neste intervalo de frecuencia. Para aplicacións de tensión continua ( como a liña Vcc dun IC), é desexable ter un valor de resistencia DC baixo para evitar grandes perdas de potencia no sinal necesario e/ou fonte de tensión ou corrente (perda I2 x DCR). Non obstante, é desexable ter alta impedancia en certos intervalos de frecuencia definidos. Polo tanto, a impedancia está relacionada co material empregado (permeabilidade), o tamaño da perla de ferrita, o número de enrolamentos e a estrutura do devanado. Obviamente, nun tamaño da carcasa e o material específico utilizado. , cantos máis enrolamentos, maior será a impedancia, pero como a lonxitude física da bobina interna é maior, isto tamén producirá unha maior resistencia DC. A corrente nominal deste compoñente é inversamente proporcional á súa resistencia DC.
Un dos aspectos básicos do uso de perlas de ferrita en aplicacións EMI é que o compoñente debe estar en fase de resistencia. Que significa?Simplemente, isto significa que "R" (resistencia de CA) debe ser maior que "XL" (indutiva). reactancia). Nas frecuencias onde XL> R (frecuencia máis baixa), o compoñente é máis parecido a un indutor que a unha resistencia. Á frecuencia de R> XL, a peza compórtase como unha resistencia, que é unha característica necesaria das perlas de ferrita. a frecuencia na que "R" se fai maior que "XL" chámase frecuencia "de cruce". Isto móstrase na Figura 1, onde a frecuencia de cruce é de 30 MHz neste exemplo e está marcada cunha frecha vermella.
Outra forma de ver isto é en termos do que realmente realiza o compoñente durante as súas fases de inductancia e resistencia. Do mesmo xeito que con outras aplicacións nas que a impedancia do indutor non coincide, parte do sinal entrante reflíctese de volta á fonte. Isto pode proporciona algunha protección para o equipo sensible do outro lado da perla de ferrita, pero tamén introduce "L" no circuíto, o que pode causar resonancia e oscilación (ring). Polo tanto, cando as perlas magnéticas aínda son de natureza indutiva, parte da enerxía de ruído reflectirase e pasará parte da enerxía de ruído, dependendo dos valores de inductancia e impedancia.
Cando a perla de ferrita está na súa fase resistiva, o compoñente compórtase como unha resistencia, polo que bloquea a enerxía do ruído e absorbe esa enerxía do circuíto, e a absorbe en forma de calor. Aínda que está construído do mesmo xeito que algúns indutores, utilizando O mesmo proceso, liña de produción e tecnoloxía, maquinaria e algúns dos mesmos materiais compoñentes, as perlas de ferrita usan materiais de ferrita con perdas, mentres que os indutores usan material de osíxeno de ferro de baixa perda. Isto móstrase na curva da Figura 2.
A figura mostra [μ''], que reflicte o comportamento do material de perlas de ferrita con perdas.
O feito de que a impedancia se dea a 100 MHz tamén forma parte do problema de selección. En moitos casos de EMI, a impedancia a esta frecuencia é irrelevante e enganosa. O valor deste "punto" non indica se a impedancia aumenta, diminúe. , faise plana e a impedancia alcanza o seu valor máximo nesta frecuencia, e se o material aínda está na súa fase de inductancia ou se transformou na súa fase de resistencia. De feito, moitos provedores de perlas de ferrita usan varios materiais para a mesma perla de ferrita, ou polo menos como se mostra na ficha técnica.Consulte a figura 3. As 5 curvas desta figura son para diferentes perlas de ferrita de 120 ohmios.
Despois, o que debe obter o usuario é a curva de impedancia que mostra as características de frecuencia da perla de ferrita. Na figura 4 móstrase un exemplo dunha curva de impedancia típica.
A figura 4 mostra un feito moi importante. Esta parte desígnase como unha perla de ferrita de 50 ohmios cunha frecuencia de 100 MHz, pero a súa frecuencia de cruce é duns 500 MHz e alcanza máis de 300 ohmios entre 1 e 2,5 GHz. De novo, só mirar a folla de datos non permitirá ao usuario saber isto e pode ser enganoso.
Como se mostra na figura, as propiedades dos materiais varían. Hai moitas variantes de ferrita utilizadas para fabricar esferas de ferrita. Algúns materiais son de alta perda, banda ancha, alta frecuencia, baixa perda de inserción, etc. A figura 5 mostra a agrupación xeral por frecuencia de aplicación e impedancia.
Outro problema común é que os deseñadores de placas de circuíto se limitan ás veces á selección de perlas de ferrita na súa base de datos de compoñentes aprobadas. non é necesario avaliar e aprobar outros materiais e números de peza. No pasado recente, isto provocou repetidamente algúns efectos agravantes do problema de ruído EMI orixinal descrito anteriormente. O método anteriormente efectivo pode ser aplicable ao seguinte proxecto ou pode non ser eficaz.Non pode simplemente seguir a solución EMI do proxecto anterior, especialmente cando cambia a frecuencia do sinal requirido ou a frecuencia dos compoñentes radiantes potenciais, como os equipos de reloxo.
Se observas as dúas curvas de impedancia da Figura 6, podes comparar os efectos materiais de dúas partes designadas similares.
Para estes dous compoñentes, a impedancia a 100 MHz é de 120 ohmios. Para a parte da esquerda, usando o material "B", a impedancia máxima é duns 150 ohmios e realízase a 400 MHz. Para a parte da dereita , usando o material "D", a impedancia máxima é de 700 ohmios, que se consegue aproximadamente a 700 MHz. Pero a maior diferenza é a frecuencia de cruce. O material "B" de perdas ultra altas fai transicións a 6 MHz (R> XL) , mentres que o material "D" de moi alta frecuencia segue sendo indutivo ao redor de 400 MHz. Que parte é a correcta para usar? Depende de cada aplicación individual.
A figura 7 mostra todos os problemas comúns que ocorren cando se seleccionan as perlas de ferrita incorrectas para suprimir EMI. O sinal sen filtrar mostra unha subida de 474,5 mV nun pulso de 3,5 V e 1 uS.
Como resultado de usar un material de tipo de alta perda (gráfico central), a subestimación da medición aumenta debido á maior frecuencia de cruce da peza. A subtracción do sinal aumentou de 474,5 mV a 749,8 mV. O material Super High Loss ten unha baixa frecuencia de cruce e bo rendemento. Será o material axeitado para usar nesta aplicación (imaxe da dereita). O subtipo que usa esta parte redúcese a 156,3 mV.
A medida que aumenta a corrente continua a través das perlas, o material do núcleo comeza a saturarse. Para os indutores, isto denomínase corrente de saturación e especifícase como unha caída porcentual do valor da inductancia. Para as perlas de ferrita, cando a peza está en fase de resistencia, o O efecto da saturación reflíctese na diminución do valor da impedancia coa frecuencia. Esta caída da impedancia reduce a eficacia das perlas de ferrita e a súa capacidade para eliminar o ruído EMI (AC). A figura 8 mostra un conxunto de curvas de polarización DC típicas para as perlas de ferrita.
Nesta figura, a perla de ferrita está clasificada en 100 ohmios a 100 MHz. Esta é a impedancia medida típica cando a peza non ten corrente continua. Non obstante, pódese ver que unha vez que se aplica unha corrente continua (por exemplo, para IC VCC). entrada), a impedancia efectiva cae drasticamente. Na curva anterior, para unha corrente de 1,0 A, a impedancia efectiva cambia de 100 ohmios a 20 ohmios. 100 MHz. Quizais non sexa demasiado crítico, pero algo ao que o enxeñeiro de deseño debe prestar atención. Do mesmo xeito, empregando só os datos das características eléctricas do compoñente na folla de datos do provedor, o usuario non será consciente deste fenómeno de sesgo DC.
Do mesmo xeito que os indutores de RF de alta frecuencia, a dirección de enrolamento da bobina interna na perla de ferrita ten unha gran influencia nas características de frecuencia da perla. A dirección de enrolamento non só afecta a relación entre a impedancia e o nivel de frecuencia, senón que tamén cambia a resposta de frecuencia. Na figura 9, móstranse dúas perlas de ferrita de 1000 ohmios co mesmo tamaño de carcasa e o mesmo material, pero con dúas configuracións de enrolamento diferentes.
As bobinas da parte esquerda están enroladas no plano vertical e apiladas na dirección horizontal, o que produce unha impedancia máis alta e unha resposta de frecuencia máis alta que a parte do lado dereito enrolada no plano horizontal e apilada na dirección vertical. Isto débese en parte. á reactancia capacitiva máis baixa (XC) asociada á reducida capacidade parasitaria entre o terminal final e a bobina interna. Unha XC máis baixa producirá unha frecuencia de autorresonancia máis alta, e despois permitirá que a impedancia da perla de ferrita continúe aumentando ata que alcanza unha frecuencia de autorresonancia máis alta, que é superior á estrutura estándar da perla de ferrita O valor de impedancia.As curvas das dúas perlas de ferrita de 1000 ohmios anteriores móstranse na figura 10.
Para mostrar aínda máis os efectos da selección correcta e incorrecta de perlas de ferrita, utilizamos un circuíto de proba sinxelo e unha placa de proba para demostrar a maior parte do contido comentado anteriormente. Na figura 11, o cadro de proba mostra as posicións de tres perlas de ferrita e os puntos de proba marcados. "A", "B" e "C", que están situados á distancia do dispositivo de saída do transmisor (TX).
A integridade do sinal mídese no lado de saída das perlas de ferrita en cada unha das tres posicións, e repítese con dúas contas de ferrita feitas de materiais diferentes. O primeiro material, un material "S" con perdas de baixa frecuencia, probouse en puntos. "A", "B" e "C". A continuación, utilizouse un material "D" de maior frecuencia. Os resultados punto a punto usando estas dúas perlas de ferrita móstranse na Figura 12.
O sinal non filtrado "a través" móstrase na fila do medio, mostrando algún exceso e subtracción nos bordos ascendentes e descendentes, respectivamente. e mellora do sinal por debaixo dos bordos ascendentes e descendentes. Estes resultados móstranse na fila superior da Figura 12. O resultado do uso de materiais de alta frecuencia pode causar tons, o que amplifica cada nivel e aumenta o período de inestabilidade. Estes resultados das probas son mostra na fila inferior.
Cando se observa a mellora da EMI coa frecuencia na parte superior recomendada (Figura 12) na exploración horizontal mostrada na Figura 13, pódese ver que para todas as frecuencias, esta parte reduce significativamente os picos de EMI e reduce o nivel de ruído global a 30. a aproximadamente No rango de 350 MHz, o nivel aceptable está moi por debaixo do límite EMI resaltado pola liña vermella. Este é o estándar regulador xeral para equipos de Clase B (FCC Parte 15 nos Estados Unidos). O material "S" usado nas perlas de ferrita úsase especificamente para estas frecuencias máis baixas. Pódese ver que unha vez que a frecuencia supera os 350 MHz, o O material "S" ten un impacto limitado no nivel de ruído EMI orixinal, sen filtrar, pero reduce un pico importante a 750 MHz nuns 6 dB. Se a parte principal do problema de ruído EMI é superior a 350 MHz, cómpre considerar o uso de materiais de ferrita de maior frecuencia cuxa impedancia máxima sexa maior no espectro.
Por suposto, todos os timbres (como se mostra na curva inferior da Figura 12) normalmente poden evitarse mediante probas de rendemento real e/ou software de simulación, pero espérase que este artigo permita aos lectores evitar moitos erros comúns e reducir a necesidade de seleccione o tempo correcto de perlas de ferrita e proporcione un punto de partida máis "educado" cando se necesiten contas de ferrita para axudar a resolver os problemas de EMI.
Finalmente, o mellor é aprobar unha serie ou serie de contas de ferrita, non só un único número de peza, para obter máis opcións e flexibilidade de deseño. Hai que ter en conta que os diferentes provedores usan materiais diferentes e que debe revisar o rendemento da frecuencia de cada provedor. , especialmente cando se fan varias compras para o mesmo proxecto. É un pouco sinxelo facelo a primeira vez, pero unha vez que as pezas se introducen na base de datos de compoñentes baixo un número de control, pódense usar en calquera lugar. O importante é que o rendemento en frecuencia de pezas de diferentes provedores é moi similar para eliminar a posibilidade doutras aplicacións no futuro O problema ocorreu.A mellor forma é obter datos similares de diferentes provedores, e polo menos ter unha curva de impedancia. Isto tamén asegurará que se utilicen as perlas de ferrita correctas para resolver o seu problema EMI.
Chris Burket traballa en TDK desde 1995 e agora é enxeñeiro de aplicacións senior, apoiando un gran número de compoñentes pasivos. Estivo implicado no deseño de produtos, vendas técnicas e marketing. Mr. Burket escribiu e publicou artigos técnicos en moitos foros. Burket obtivo tres patentes estadounidenses sobre interruptores e capacitores ópticos/mecánicos.
In Compliance é a principal fonte de noticias, información, educación e inspiración para os profesionais da enxeñería eléctrica e electrónica.
Aeroespacial Automoción Comunicacións Electrónica de consumo Educación Enerxía e enerxía Industria Tecnoloxías da información Médico Militar e Defensa Nacional