nyheder

En almindelig situation: En designingeniør indsætter en ferritperle i et kredsløb, der oplever EMC-problemer, kun for at finde ud af, at perlen faktisk gør uønsket støj værre. Hvordan kunne det være? Burde ferritperler ikke fjerne støjenergi uden at gøre problemet værre?
Svaret på dette spørgsmål er ret simpelt, men det er måske ikke almindeligt forstået, undtagen for dem, der bruger det meste af tiden på at løse EMI-problemer. Kort sagt er ferritperler ikke ferritperler, ikke ferritperler osv. De fleste ferritperleproducenter leverer en tabel, der viser deres varenummer, impedans ved en given frekvens (normalt 100 MHz), DC modstand (DCR), maksimal nominel strøm og nogle dimensioner Information (se tabel 1). Alt er næsten standard. Hvad er ikke vist i dataene ark er materialeinformationen og de tilsvarende frekvensegenskaber.
Ferritperler er en passiv enhed, der kan fjerne støjenergi fra kredsløbet i form af varme. Magnetiske perler genererer impedans i et bredt frekvensområde og eliminerer derved hele eller en del af den uønskede støjenergi i dette frekvensområde. Til DC-spændingsapplikationer ( såsom Vcc-linjen på en IC), er det ønskeligt at have en lav DC-modstandsværdi for at undgå store effekttab i det nødvendige signal og/eller spændings- eller strømkilde (I2 x DCR-tab). Det er dog ønskeligt at have høj impedans i visse definerede frekvensområder. Derfor er impedansen relateret til det anvendte materiale (permeabilitet), størrelsen af ​​ferritperlen, antallet af viklinger og viklingsstrukturen. Naturligvis i en given husstørrelse og specifikt anvendt materiale Jo flere viklinger, jo højere impedans, men da den fysiske længde af den interne spole er længere, vil dette også give en højere DC-modstand. Denne komponents mærkestrøm er omvendt proportional med dens DC-modstand.
Et af de grundlæggende aspekter ved at bruge ferritperler i EMI-applikationer er, at komponenten skal være i modstandsfasen. Hvad betyder det? Kort sagt betyder det, at "R" (AC-modstand) skal være større end "XL" (induktivt) reaktans).Ved frekvenser, hvor XL> R (lavere frekvens), ligner komponenten mere en induktor end en modstand. Ved frekvensen R> XL opfører delen sig som en modstand, hvilket er en påkrævet egenskab for ferritperler. frekvens, hvor "R" bliver større end "XL", kaldes "crossover"-frekvensen. Dette er vist i figur 1, hvor delefrekvensen er 30 MHz i dette eksempel og er markeret med en rød pil.
En anden måde at se dette på er i forhold til, hvad komponenten rent faktisk udfører under dens induktans- og modstandsfaser. Som med andre applikationer, hvor induktorens impedans ikke er afstemt, reflekteres en del af det indkommende signal tilbage til kilden. Dette kan give en vis beskyttelse til det følsomme udstyr på den anden side af ferritperlen, men det introducerer også "L" i kredsløbet, hvilket kan forårsage resonans og oscillation (ringning). Derfor, når de magnetiske perler stadig er induktive af natur, del af støjenergien vil blive reflekteret, og en del af støjenergien vil passere, afhængigt af induktans- og impedansværdierne.
Når ferritperlen er i sin resistive fase, opfører komponenten sig som en modstand, så den blokerer for støjenergi og absorberer denne energi fra kredsløbet og absorberer den i form af varme. Selvom den er konstrueret på samme måde som nogle induktorer, vha. den samme proces, produktionslinje og teknologi, maskineri og nogle af de samme komponentmaterialer, ferritperler bruger tabsgivende ferritmaterialer, mens induktorer bruger iltmateriale med lavt tab af jern. Dette er vist i kurven i figur 2.
Figuren viser [μ''], som afspejler opførselen af ​​det tabsgivende ferritperlemateriale.
At impedansen er givet ved 100 MHz er også en del af udvælgelsesproblemet. I mange tilfælde af EMI er impedansen ved denne frekvens irrelevant og misvisende. Værdien af ​​dette "punkt" indikerer ikke, om impedansen stiger, falder , bliver flad, og impedansen når sin spidsværdi ved denne frekvens, og om materialet stadig er i sin induktansfase eller er omdannet til sin modstandsfase. Faktisk bruger mange ferritperleleverandører flere materialer til den samme ferritperle, eller mindst som vist i databladet. Se figur 3. Alle 5 kurver i denne figur er for forskellige 120 ohm ferritperler.
Det, brugeren skal opnå, er impedanskurven, der viser ferritperlens frekvenskarakteristika. Et eksempel på en typisk impedanskurve er vist i figur 4.
Figur 4 viser en meget vigtig kendsgerning. Denne del er udpeget som en 50 ohm ferritperle med en frekvens på 100 MHz, men dens delefrekvens er omkring 500 MHz, og den opnår mere end 300 ohm mellem 1 og 2,5 GHz. Igen, bare at se på databladet vil ikke lade brugeren vide dette og kan være vildledende.
Som vist på figuren varierer materialernes egenskaber. Der er mange varianter af ferrit, der bruges til fremstilling af ferritperler. Nogle materialer er høje tab, bredbånd, høj frekvens, lavt indføringstab og så videre. Figur 5 viser den generelle gruppering efter applikationsfrekvens og impedans.
Et andet almindeligt problem er, at kredsløbsdesignere nogle gange er begrænset til udvælgelsen af ​​ferritperler i deres godkendte komponentdatabase. Hvis virksomheden kun har nogle få ferritperler, der er godkendt til brug i andre produkter og anses for tilfredsstillende, i mange tilfælde, det er ikke nødvendigt at vurdere og godkende andre materialer og varenumre. I den seneste tid har dette gentagne gange ført til nogle forværrende virkninger af det oprindelige EMI-støjproblem beskrevet ovenfor. Den tidligere effektive metode kan være anvendelig til det næste projekt, eller den er muligvis ikke effektiv. Du kan ikke bare følge EMI-løsningen fra det forrige projekt, især når frekvensen af ​​det påkrævede signal ændres eller frekvensen af ​​potentielle udstrålende komponenter såsom urudstyr ændres.
Hvis du ser på de to impedanskurver i figur 6, kan du sammenligne materialeeffekterne af to ens udpegede dele.
For disse to komponenter er impedansen ved 100 MHz 120 ohm. For delen til venstre, ved brug af "B"-materialet, er den maksimale impedans omkring 150 ohm, og den realiseres ved 400 MHz. For delen til højre , ved brug af "D"-materialet er den maksimale impedans 700 ohm, hvilket opnås ved ca. 700 MHz. Men den største forskel er delefrekvensen. Det ultra-høje tab "B"-materiale skifter ved 6 MHz (R> XL) , mens det meget højfrekvente "D"-materiale forbliver induktivt ved omkring 400 MHz. Hvilken del er den rigtige at bruge? Det afhænger af hver enkelt anvendelse.
Figur 7 viser alle de almindelige problemer, der opstår, når de forkerte ferritperler er valgt for at undertrykke EMI. Det ufiltrerede signal viser 474,5 mV underskud på en 3,5V, 1 us-puls.
Som et resultat af at bruge et materiale af typen med højt tab (centerplot), øges målingens underskud på grund af delens højere delefrekvens. Signalunderskuddet steg fra 474,5 mV til 749,8 mV. Super High Loss-materialet har en lav delefrekvens og god ydeevne. Det vil være det rigtige materiale at bruge i denne applikation (billedet til højre). Underskuddet ved hjælp af denne del er reduceret til 156,3 mV.
Når jævnstrømmen gennem perlerne stiger, begynder kernematerialet at mættes. For induktorer kaldes dette mætningsstrøm og angives som et procentvis fald i induktansværdien. For ferritperler, når delen er i modstandsfasen, effekten af ​​mætning afspejles i faldet i impedansværdien med frekvensen. Dette fald i impedansen reducerer effektiviteten af ​​ferritperlerne og deres evne til at eliminere EMI (AC) støj. Figur 8 viser et sæt typiske DC bias kurver for ferrit perler.
I denne figur er ferritperlen vurderet til 100 ohm ved 100 MHz. Dette er den typiske målte impedans, når delen ikke har nogen jævnstrøm. Det kan dog ses, at når en jævnstrøm er påført (f.eks. for IC VCC input), falder den effektive impedans kraftigt. I ovenstående kurve, for en 1,0 A strøm, ændres den effektive impedans fra 100 ohm til 20 ohm. 100 MHz. Måske ikke for kritisk, men noget, som designingeniøren skal være opmærksom på. Ligeledes ved kun at bruge de elektriske karakteristiske data af komponenten i leverandørens datablad, vil brugeren ikke være opmærksom på dette DC bias-fænomen.
Ligesom højfrekvente RF-induktorer har viklingsretningen af ​​den indre spole i ferritperlen stor indflydelse på perlens frekvenskarakteristika. Vikleretningen påvirker ikke kun forholdet mellem impedans og frekvensniveau, men ændrer også frekvensresponsen. I figur 9 er to 1000 ohm ferritperler vist med samme husstørrelse og samme materiale, men med to forskellige viklingskonfigurationer.
Spolerne i venstre del er viklet i det lodrette plan og stablet i vandret retning, hvilket giver højere impedans og højere frekvensrespons end delen på højre side viklet i det vandrette plan og stablet i lodret retning. Dette skyldes bl.a. til den lavere kapacitive reaktans (XC), der er forbundet med den reducerede parasitiske kapacitans mellem endeterminalen og den interne spole. En lavere XC vil producere en højere selvresonansfrekvens og derefter tillade impedansen af ​​ferritperlen at fortsætte med at stige, indtil den når en højere selvresonansfrekvens, som er højere end ferritperlens standardstruktur Impedansværdien.Kurverne for de to ovenstående 1000 ohm ferritperler er vist i figur 10.
For yderligere at vise virkningerne af korrekt og forkert valg af ferritperler brugte vi et simpelt testkredsløb og testplade til at demonstrere det meste af indholdet diskuteret ovenfor. På figur 11 viser testpladen positionerne af tre ferritperler og testpunkterne markeret "A", "B" og "C", som er placeret i afstand fra senderens udgangsenhed (TX).
Signalintegriteten måles på udgangssiden af ​​ferritperlerne i hver af de tre positioner og gentages med to ferritperler lavet af forskellige materialer. Det første materiale, et lavfrekvent tabsgivende "S" materiale, blev testet på punkter "A", "B" og "C". Dernæst blev der brugt et højere frekvens "D"-materiale. Punkt-til-punkt-resultaterne ved brug af disse to ferritperler er vist i figur 12.
Det "gennem" ufiltrerede signal vises i den midterste række og viser noget over- og underskud på henholdsvis de stigende og faldende kanter. Det kan ses, at ved at bruge det korrekte materiale til ovenstående testbetingelser, viser det lavere frekvenstabsgivende materiale et godt overskridelse og forbedring af underskudssignalet på de stigende og faldende kanter. Disse resultater er vist i den øverste række i figur 12. Resultatet af brugen af ​​højfrekvente materialer kan forårsage ringning, som forstærker hvert niveau og øger perioden med ustabilitet. Disse testresultater er vist i nederste række.
Når man ser på forbedringen af ​​EMI med frekvens i den anbefalede øvre del (Figur 12) i den horisontale scanning vist i Figur 13, kan det ses, at for alle frekvenser reducerer denne del EMI-spidserne betydeligt og reducerer det samlede støjniveau ved 30 til cirka I 350 MHz-området er det acceptable niveau langt under EMI-grænsen fremhævet af den røde linje. Dette er den generelle regulatoriske standard for klasse B-udstyr (FCC Part 15 i USA). "S"-materialet, der bruges i ferritperler, bruges specifikt til disse lavere frekvenser. Det kan ses, at når frekvensen overstiger 350 MHz, "S"-materiale har en begrænset indflydelse på det originale, ufiltrerede EMI-støjniveau, men det reducerer en større stigning ved 750 MHz med omkring 6 dB. Hvis hoveddelen af ​​EMI-støjproblemet er højere end 350 MHz, skal du overveje brugen af ​​ferritmaterialer med højere frekvens, hvis maksimale impedans er højere i spektret.
Selvfølgelig kan al ringning (som vist i den nederste kurve i figur 12) normalt undgås ved faktiske præstationstest og/eller simuleringssoftware, men det er håbet, at denne artikel vil give læserne mulighed for at omgå mange almindelige fejl og reducere behovet for at vælg den korrekte ferritperle Tid, og giv et mere "uddannet" udgangspunkt, når ferritperler er nødvendige for at hjælpe med at løse EMI-problemer.
Endelig er det bedst at godkende en serie eller serie af ferritperler, ikke kun et enkelt varenummer, for flere valgmuligheder og designfleksibilitet. Det skal bemærkes, at forskellige leverandører bruger forskellige materialer, og hver leverandørs frekvensydelse skal gennemgås. , især når der foretages flere indkøb til det samme projekt. Det er lidt nemt at gøre dette første gang, men når delene er indtastet i komponentdatabasen under et kontrolnummer, kan de så bruges hvor som helst. Det vigtige er, at frekvensydelsen af ​​dele fra forskellige leverandører er meget ens for at eliminere muligheden for andre anvendelser i fremtiden. Problemet opstod. Den bedste måde er at få lignende data fra forskellige leverandører og i det mindste have en impedanskurve. Dette vil også sikre, at de korrekte ferritperler bruges til at løse dit EMI-problem.
Chris Burket har arbejdet hos TDK siden 1995 og er nu senior applikationsingeniør, der understøtter en lang række passive komponenter. Han har været involveret i produktdesign, teknisk salg og marketing. Burket har skrevet og udgivet tekniske artikler i mange fora. Burket har opnået tre amerikanske patenter på optiske/mekaniske kontakter og kondensatorer.
In Compliance er den vigtigste kilde til nyheder, information, uddannelse og inspiration for fagfolk inden for elektro- og elektronikingeniører.
Luftfart Bilkommunikation Forbrugerelektronik Uddannelse Energi- og elindustri Informationsteknologi Medicinsk militær og nationalt forsvar