Nyheter

En vanlig situation: En konstruktionsingenjör sätter in en ferritpärla i en krets som har EMC-problem, bara för att upptäcka att pärlan faktiskt gör oönskat ljud värre. Hur kan detta vara? Borde inte ferritpärlor eliminera brusenergi utan att göra problemet värre?
Svaret på denna fråga är ganska enkelt, men det kanske inte förstås allmänt förutom för de som tillbringar större delen av tiden med att lösa EMI-problem. Enkelt uttryckt är ferritpärlor inte ferritpärlor, inte ferritpärlor, etc. De flesta tillverkare av ferritpärlor tillhandahåller en tabell som listar deras artikelnummer, impedans vid någon given frekvens (vanligtvis 100 MHz), DC-resistans (DCR), maximal märkström och vissa dimensioner Information (se tabell 1). Allt är nästan standard. Det som inte visas i data arket är materialinformationen och motsvarande frekvensegenskaper.
Ferritpärlor är en passiv enhet som kan ta bort brusenergi från kretsen i form av värme. Magnetiska pärlor genererar impedans i ett brett frekvensområde och eliminerar därigenom hela eller delar av den oönskade brusenergin i detta frekvensområde. För DC-spänningstillämpningar ( såsom Vcc-linjen på en IC), är det önskvärt att ha ett lågt DC-resistansvärde för att undvika stora effektförluster i den erforderliga signalen och/eller spännings- eller strömkällan (I2 x DCR-förlust). Det är dock önskvärt att ha hög impedans i vissa definierade frekvensområden. Därför är impedansen relaterad till det material som används (permeabilitet), storleken på ferritpärlan, antalet lindningar och lindningsstrukturen. Självklart, i en given husstorlek och specifikt material som används , ju fler lindningar, desto högre impedans, men eftersom den fysiska längden på den interna spolen är längre, kommer detta också att ge ett högre DC-motstånd. Märkströmmen för denna komponent är omvänt proportionell mot dess DC-resistans.
En av de grundläggande aspekterna av att använda ferritkulor i EMI-applikationer är att komponenten måste vara i motståndsfasen. Vad betyder det? Enkelt uttryckt betyder det att "R" (AC-resistans) måste vara större än "XL" (induktivt) reaktans). Vid frekvenser där XL> R (lägre frekvens) liknar komponenten mer en induktor än ett motstånd. Vid frekvensen R> XL beter sig delen som ett motstånd, vilket är en nödvändig egenskap hos ferritpärlor. frekvensen där "R" blir större än "XL" kallas "crossover"-frekvensen. Detta visas i figur 1, där crossover-frekvensen är 30 MHz i detta exempel och markeras med en röd pil.
Ett annat sätt att se på detta är i termer av vad komponenten faktiskt presterar under sina induktans- och resistansfaser. Precis som med andra applikationer där induktorns impedans inte matchas, reflekteras en del av den inkommande signalen tillbaka till källan. ger ett visst skydd för den känsliga utrustningen på andra sidan av ferritpärlan, men det introducerar också "L" i kretsen, vilket kan orsaka resonans och svängning (ringning). Därför, när de magnetiska pärlorna fortfarande är induktiva till sin natur, del av brusenergin kommer att reflekteras och en del av brusenergin kommer att passera, beroende på induktans- och impedansvärdena.
När ferritpärlan är i sin resistiva fas beter sig komponenten som ett motstånd, så den blockerar brusenergi och absorberar den energin från kretsen och absorberar den i form av värme. Även om den är konstruerad på samma sätt som vissa induktorer, med samma process, produktionslinje och teknik, maskineri och en del av samma komponentmaterial, ferritpärlor använder förlustgivande ferritmaterial, medan induktorer använder lågförlust järnsyrematerial. Detta visas i kurvan i figur 2.
Figuren visar [μ''], vilket återspeglar beteendet hos det förlustgivande ferritpärlmaterialet.
Det faktum att impedansen ges vid 100 MHz är också en del av urvalsproblemet. I många fall av EMI är impedansen vid denna frekvens irrelevant och missvisande. Värdet på denna "punkt" indikerar inte om impedansen ökar, minskar , blir platt, och impedansen når sitt toppvärde vid denna frekvens, och om materialet fortfarande är i sin induktansfas eller har omvandlats till sin motståndsfas. Faktum är att många leverantörer av ferritpärlor använder flera material för samma ferritpärla, eller åtminstone som visas i databladet. Se figur 3. Alla 5 kurvorna i denna figur är för olika 120 ohm ferritpärlor.
Vad användaren sedan måste få fram är impedanskurvan som visar ferritpärlans frekvensegenskaper. Ett exempel på en typisk impedanskurva visas i figur 4.
Figur 4 visar ett mycket viktigt faktum. Den här delen är betecknad som en 50 ohm ferritpärla med en frekvens på 100 MHz, men dess övergångsfrekvens är cirka 500 MHz, och den uppnår mer än 300 ohm mellan 1 och 2,5 GHz. Återigen, bara Att titta på databladet låter inte användaren veta detta och kan vara vilseledande.
Som visas i figuren varierar materialens egenskaper. Det finns många varianter av ferrit som används för att göra ferritpärlor. Vissa material är höga förluster, bredband, hög frekvens, låg insättningsförlust och så vidare. Figur 5 visar den allmänna grupperingen efter applikationsfrekvens och impedans.
Ett annat vanligt problem är att kretskortskonstruktörer ibland är begränsade till valet av ferritpärlor i sin godkända komponentdatabas. Om företaget bara har ett fåtal ferritpärlor som har godkänts för användning i andra produkter och som anses vara tillfredsställande, i många fall, det är inte nödvändigt att utvärdera och godkänna andra material och artikelnummer. På senare tid har detta upprepade gånger lett till vissa försvårande effekter av det ursprungliga EMI-brusproblemet som beskrivs ovan. Den tidigare effektiva metoden kan vara tillämplig på nästa projekt, eller så kanske inte är effektiva. Du kan inte helt enkelt följa EMI-lösningen från det tidigare projektet, särskilt när frekvensen för den erforderliga signalen ändras eller frekvensen av potentiella strålningskomponenter som klockutrustning ändras.
Om du tittar på de två impedanskurvorna i figur 6, kan du jämföra materialeffekterna av två liknande utpekade delar.
För dessa två komponenter är impedansen vid 100 MHz 120 ohm. För delen till vänster, med "B"-materialet, är den maximala impedansen cirka 150 ohm, och den realiseras vid 400 MHz. För delen till höger Med "D"-materialet är den maximala impedansen 700 ohm, vilket uppnås vid ungefär 700 MHz. Men den största skillnaden är delningsfrekvensen. Materialet "B" med ultrahög förlust övergår vid 6 MHz (R> XL) , medan det mycket högfrekventa "D"-materialet förblir induktivt vid cirka 400 MHz. Vilken del är den korrekta att använda? Det beror på varje enskild applikation.
Figur 7 visar alla vanliga problem som uppstår när fel ferritpärlor väljs för att undertrycka EMI. Den ofiltrerade signalen visar 474,5 mV underskott på en 3,5V, 1 us-puls.
Som ett resultat av att använda ett material med hög förlust (mittdiagram), ökar underskottet av mätningen på grund av den högre övergångsfrekvensen för delen. Signalunderskottet ökade från 474,5 mV till 749,8 mV. Materialet Super High Loss har en låg delningsfrekvens och bra prestanda.Det kommer att vara rätt material att använda i den här applikationen (bilden till höger). Underskottet med denna del reduceras till 156,3 mV.
När likströmmen genom pärlorna ökar börjar kärnmaterialet att mättas. För induktorer kallas detta mättnadsström och anges som en procentuell minskning av induktansvärdet. För ferritpärlor, när delen är i motståndsfasen, effekten av mättnad återspeglas i minskningen av impedansvärdet med frekvensen. Denna minskning av impedansen minskar effektiviteten hos ferritpärlorna och deras förmåga att eliminera EMI (AC)-brus. Figur 8 visar en uppsättning typiska DC-förspänningskurvor för ferritpärlor.
I denna figur är ferritpärlan klassad till 100 ohm vid 100 MHz. Detta är den typiska uppmätta impedansen när delen inte har någon likström. Det kan dock ses att när en likström appliceras (till exempel för IC VCC) ingång) sjunker den effektiva impedansen kraftigt.I ovanstående kurva, för en ström på 1,0 A, ändras den effektiva impedansen från 100 ohm till 20 ohm. 100 MHz. Kanske inte alltför kritiskt, men något som konstruktören måste vara uppmärksam på. På samma sätt, genom att endast använda de elektriska karakteristiska data av komponenten i leverantörens datablad kommer användaren inte att vara medveten om detta DC-bias-fenomen.
Liksom högfrekventa RF-induktorer har lindningsriktningen för den inre spolen i ferritpärlan ett stort inflytande på pärlans frekvenskarakteristika. Lindningsriktningen påverkar inte bara förhållandet mellan impedans och frekvensnivå, utan ändrar också frekvenssvaret. I figur 9 visas två 1000 ohm ferritpärlor med samma husstorlek och samma material, men med två olika lindningskonfigurationer.
Spolarna i den vänstra delen är lindade i vertikalplanet och staplade i horisontell riktning, vilket ger högre impedans och högre frekvensrespons än delen på höger sida lindad i horisontalplanet och staplade i vertikal riktning. Detta beror delvis på till den lägre kapacitiva reaktansen (XC) förknippad med den reducerade parasitiska kapacitansen mellan ändterminalen och den interna spolen. En lägre XC kommer att producera en högre självresonansfrekvens och sedan tillåta impedansen för ferritpärlan att fortsätta att öka tills den når en högre självresonansfrekvens, som är högre än standardstrukturen för ferritpärlan. Impedansvärdet. Kurvorna för de två 1000 ohm ferritpärlorna ovan visas i figur 10.
För att ytterligare visa effekterna av korrekt och felaktigt val av ferritpärlor använde vi en enkel testkrets och testkort för att demonstrera det mesta av innehållet som diskuterats ovan. I figur 11 visar testtavlan positionerna för tre ferritpärlor och testpunkterna markerade "A", "B" och "C", som är placerade på avståndet från sändarens utgångsenhet (TX).
Signalintegriteten mäts på utgångssidan av ferritpärlorna i var och en av de tre positionerna, och upprepas med två ferritpärlor gjorda av olika material. Det första materialet, ett lågfrekvent förlustgivande "S"-material, testades vid punkter "A", "B" och "C". Därefter användes ett högre frekvens "D"-material. Punkt-till-punkt-resultaten med dessa två ferritpärlor visas i figur 12.
Den "genomgående" ofiltrerade signalen visas i den mellersta raden och visar viss översvängning och undersvängning på de stigande respektive fallande kanterna. Det kan ses att om man använder rätt material för ovanstående testförhållanden visar det lägre frekvensförlustmaterialet bra översvängning och förbättring av underskottssignalen på de stigande och fallande kanterna. Dessa resultat visas i den övre raden i figur 12. Resultatet av att använda högfrekventa material kan orsaka ringsignaler, vilket förstärker varje nivå och ökar perioden av instabilitet. Dessa testresultat är visas på nedre raden.
När man tittar på förbättringen av EMI med frekvens i den rekommenderade övre delen (Figur 12) i den horisontella skanningen som visas i Figur 13, kan man se att för alla frekvenser minskar denna del avsevärt EMI-spikar och minskar den totala brusnivån vid 30 till ungefär I 350 MHz-området är den acceptabla nivån långt under EMI-gränsen som markeras med den röda linjen.Detta är den allmänna regulatoriska standarden för klass B-utrustning (FCC Part 15 i USA). "S"-materialet som används i ferritpärlor används specifikt för dessa lägre frekvenser. Det kan ses att när frekvensen överstiger 350 MHz, "S"-material har en begränsad inverkan på den ursprungliga, ofiltrerade EMI-brusnivån, men det minskar en stor spik vid 750 MHz med cirka 6 dB. Om huvuddelen av EMI-brusproblemet är högre än 350 MHz, måste du överväg användningen av ferritmaterial med högre frekvens vars maximala impedans är högre i spektrumet.
Naturligtvis kan all ringsignal (som visas i den nedre kurvan i figur 12) vanligtvis undvikas genom faktisk prestandatestning och/eller simuleringsprogram, men förhoppningen är att den här artikeln kommer att tillåta läsarna att kringgå många vanliga misstag och minska behovet av att välj rätt tid för ferritpärlor och ge en mer "utbildad" utgångspunkt när ferritpärlor behövs för att lösa EMI-problem.
Slutligen är det bäst att godkänna en serie eller serie av ferritpärlor, inte bara ett enstaka artikelnummer, för fler valmöjligheter och designflexibilitet. Det bör noteras att olika leverantörer använder olika material, och varje leverantörs frekvensprestanda måste ses över , speciellt när flera köp görs för samma projekt. Det är lite lätt att göra detta första gången, men när delarna väl har skrivits in i komponentdatabasen under ett kontrollnummer kan de användas var som helst.Det viktiga är att frekvensprestandan för delar från olika leverantörer är väldigt lika för att eliminera möjligheten för andra tillämpningar i framtiden. Problemet uppstod. Det bästa sättet är att få liknande data från olika leverantörer, och åtminstone ha en impedanskurva. Detta kommer också att säkerställa att rätt ferritpärlor används för att lösa ditt EMI-problem.
Chris Burket har arbetat på TDK sedan 1995 och är nu senior applikationsingenjör, som stödjer ett stort antal passiva komponenter. Han har varit involverad i produktdesign, teknisk försäljning och marknadsföring.Burket har skrivit och publicerat tekniska artiklar i många forum. Mr.Burket har erhållit tre amerikanska patent på optiska/mekaniska omkopplare och kondensatorer.
In Compliance är den främsta källan till nyheter, information, utbildning och inspiration för proffs inom elektro- och elektronikteknik.
Aerospace Fordon Kommunikation Konsumentelektronik Utbildning Energi och kraftindustri Informationsteknik Medicinsk militär och nationellt försvar