vijesti

Uobičajena situacija: inženjer dizajna umetne feritnu kuglicu u strujni krug koji ima problema s EMC-om, samo da bi otkrio da kuglica zapravo pogoršava neželjenu buku. Kako bi to moglo biti? Ne bi li feritne kuglice trebale eliminirati energiju buke bez pogoršanja problema?
Odgovor na ovo pitanje prilično je jednostavan, ali možda neće biti široko shvaćen osim onima koji većinu vremena provode rješavajući probleme s EMI. Jednostavno rečeno, feritne kuglice nisu feritne kuglice, nisu feritne kuglice, itd. Većina proizvođača feritnih kuglica nudi tablicu koja navodi njihov broj dijela, impedanciju na određenoj frekvenciji (obično 100 MHz), istosmjerni otpor (DCR), najveću nazivnu struju i neke informacije o dimenzijama (vidi tablicu 1). Sve je gotovo standardno. Što nije prikazano u podacima list je informacija o materijalu i odgovarajućim karakteristikama izvedbe frekvencije.
Feritne kuglice su pasivni uređaj koji može ukloniti energiju šuma iz strujnog kruga u obliku topline. Magnetske kuglice generiraju impedanciju u širokom frekvencijskom rasponu, čime eliminiraju cijelu ili dio neželjene energije šuma u ovom frekvencijskom rasponu. Za aplikacije istosmjernog napona ( kao što je Vcc linija IC-a), poželjno je imati nisku vrijednost istosmjernog otpora kako bi se izbjegli veliki gubici snage u potrebnom izvoru signala i/ili napona ili struje (I2 x DCR gubitak). Međutim, poželjno je imati visoka impedancija u određenim definiranim frekvencijskim rasponima. Stoga je impedancija povezana s upotrijebljenim materijalom (propusnost), veličinom feritnog zrnca, brojem namota i strukturom namota. Očito, u određenoj veličini kućišta i specifičnom korištenom materijalu , što je više namota, to je veća impedancija, ali kako je fizička duljina unutarnje zavojnice duža, to će također proizvesti veći istosmjerni otpor. Nazivna struja ove komponente obrnuto je proporcionalna njenom istosmjernom otporu.
Jedan od osnovnih aspekata korištenja feritnih kuglica u EMI aplikacijama je da komponenta mora biti u fazi otpora. Što to znači? Jednostavno rečeno, to znači da "R" (AC otpor) mora biti veći od "XL" (induktivni reaktancija). Na frekvencijama gdje je XL> R (niža frekvencija), komponenta je više nalik induktoru nego otporniku. Na frekvenciji R> XL, dio se ponaša kao otpornik, što je potrebna karakteristika feritnih kuglica. frekvencija na kojoj "R" postaje veća od "XL" naziva se "crossover" frekvencija. To je prikazano na slici 1, gdje je crossover frekvencija 30 MHz u ovom primjeru i označena je crvenom strelicom.
Drugi način da to pogledate je u smislu onoga što komponenta stvarno izvodi tijekom svoje faze induktiviteta i otpora. Kao i kod drugih primjena gdje impedancija induktora nije usklađena, dio dolaznog signala reflektira se natrag na izvor. To može pruža određenu zaštitu za osjetljivu opremu s druge strane feritnog zrna, ali također uvodi "L" u strujni krug, što može uzrokovati rezonanciju i oscilacije (zvonjenje). Stoga, kada su magnetska zrna još uvijek induktivne prirode, dio energije šuma će se reflektirati, a dio energije šuma će proći, ovisno o vrijednostima induktiviteta i impedancije.
Kada je feritna kuglica u svojoj otpornoj fazi, komponenta se ponaša kao otpornik, pa blokira energiju buke i apsorbira tu energiju iz kruga te je apsorbira u obliku topline. Iako je konstruirana na isti način kao neki induktori, koristeći isti proces, proizvodna linija i tehnologija, strojevi i neki od istih sastavnih materijala, feritne kuglice koriste feritne materijale s gubicima, dok induktori koriste željezni kisik s malim gubicima. To je prikazano na krivulji na slici 2.
Slika prikazuje [μ''], što odražava ponašanje materijala feritnih kuglica s gubicima.
Činjenica da je impedancija dana na 100 MHz također je dio problema odabira. U mnogim slučajevima EMI-ja, impedancija na ovoj frekvenciji je irelevantna i obmanjujuća. Vrijednost ove "točke" ne pokazuje povećava li se impedancija ili smanjuje , postaje ravna, a impedancija doseže svoju vršnu vrijednost na ovoj frekvenciji, i je li materijal još uvijek u fazi induktivnosti ili se transformirao u fazu otpora. Zapravo, mnogi dobavljači feritnih kuglica koriste više materijala za istu feritnu kuglicu, ili barem kako je prikazano u podatkovnoj tablici. Vidi sliku 3. Svih 5 krivulja na ovoj slici su za različite feritne kuglice od 120 ohma.
Zatim, ono što korisnik mora dobiti je krivulja impedancije koja prikazuje frekvencijske karakteristike feritnog zrnca. Primjer tipične krivulje impedancije prikazan je na slici 4.
Slika 4 prikazuje vrlo važnu činjenicu. Ovaj dio je označen kao feritna kuglica od 50 ohma s frekvencijom od 100 MHz, ali njegova frekvencija križanja je oko 500 MHz i postiže više od 300 ohma između 1 i 2,5 GHz. Opet, samo gledanje podatkovne tablice neće dati korisniku to do znanja i može dovesti u zabludu.
Kao što je prikazano na slici, svojstva materijala variraju. Postoje mnoge varijante ferita koji se koriste za izradu feritnih kuglica. Neki materijali su veliki gubici, širokopojasni, visoke frekvencije, niski uneseni gubici i tako dalje. Slika 5 prikazuje opće grupiranje prema frekvencija primjene i impedancija.
Još jedan uobičajeni problem je taj što su dizajneri sklopnih pločica ponekad ograničeni na izbor feritnih kuglica u svojoj bazi podataka odobrenih komponenti. Ako tvrtka ima samo nekoliko feritnih kuglica koje su odobrene za upotrebu u drugim proizvodima i smatraju se zadovoljavajućim, u mnogim slučajevima, nije potrebno procijeniti i odobriti druge materijale i brojeve dijelova. U nedavnoj prošlosti to je više puta dovelo do nekih otežavajućih učinaka izvornog problema s EMI šumom opisanog gore. Prethodno učinkovita metoda može se primijeniti na sljedeći projekt ili možda neće biti učinkovit. Ne možete jednostavno slijediti EMI rješenje iz prethodnog projekta, posebno kada se promijeni frekvencija potrebnog signala ili frekvencija potencijalnih komponenata zračenja kao što je oprema za sat.
Ako pogledate dvije krivulje impedancije na slici 6, možete usporediti materijalne učinke dva slična označena dijela.
Za ove dvije komponente, impedancija na 100 MHz je 120 ohma. Za dio s lijeve strane, korištenjem "B" materijala, maksimalna impedancija je oko 150 ohma, a ostvarena je na 400 MHz. Za dio s desne strane , koristeći "D" materijal, maksimalna impedancija je 700 ohma, što se postiže na približno 700 MHz. Ali najveća razlika je frekvencija križanja. Materijal "B" s ultra velikim gubicima prelazi na 6 MHz (R> XL) , dok vrlo visokofrekventni "D" materijal ostaje induktivan na oko 400 MHz. Koji dio je ispravan koristiti? Ovisi o svakoj pojedinačnoj primjeni.
Slika 7 prikazuje sve uobičajene probleme koji se javljaju kada su pogrešna feritna zrnca odabrana za suzbijanje EMI-ja. Nefiltrirani signal pokazuje 474,5 mV podbačaj na 3,5 V, 1 uS puls.
Kao rezultat korištenja materijala s velikim gubicima (središnji dijagram), podbačaj mjerenja se povećava zbog veće frekvencije skretnice dijela. Podbačaj signala povećao se s 474,5 mV na 749,8 mV. Materijal s velikim gubicima ima niska skretnica i dobre performanse.To će biti pravi materijal za korištenje u ovoj primjeni (slika desno). Podgon pomoću ovog dijela smanjen je na 156,3 mV.
Kako se istosmjerna struja kroz kuglice povećava, materijal jezgre počinje se zasićivati. Za induktore, to se naziva struja zasićenja i specificira se kao postotak pada vrijednosti induktiviteta. Za feritne kuglice, kada je dio u fazi otpora, učinak zasićenja odražava se u smanjenju vrijednosti impedancije s frekvencijom. Ovaj pad impedancije smanjuje učinkovitost feritnih kuglica i njihovu sposobnost da eliminiraju EMI (AC) šum. Slika 8 prikazuje skup tipičnih DC krivulja prednaprezanja za feritne kuglice.
Na ovoj slici, feritna kuglica je ocijenjena na 100 ohma na 100 MHz. Ovo je tipična izmjerena impedancija kada dio nema istosmjernu struju. Međutim, može se vidjeti da nakon primjene istosmjerne struje (na primjer, za IC VCC ulaz), efektivna impedancija naglo opada.U gornjoj krivulji, za struju od 1,0 A, efektivna impedancija se mijenja sa 100 ohma na 20 ohma. 100 MHz. Možda nije previše kritično, ali nešto na što projektant mora obratiti pozornost. Slično, korištenjem samo podataka o električnim karakteristikama komponente u podatkovnoj tablici dobavljača, korisnik neće biti svjestan ovog fenomena DC prednapona.
Poput visokofrekventnih RF induktora, smjer namota unutarnje zavojnice u feritnom zrnu ima veliki utjecaj na frekvencijske karakteristike zrna. Smjer namota ne utječe samo na odnos između impedancije i razine frekvencije, već također mijenja frekvencijski odziv. Na slici 9 prikazane su dvije feritne kuglice od 1000 ohma s istom veličinom kućišta i istim materijalom, ali s dvije različite konfiguracije namotaja.
Zavojnice lijevog dijela namotane su u okomitoj ravnini i složene u vodoravnom smjeru, što proizvodi veću impedanciju i veći frekvencijski odziv od dijela na desnoj strani namotanog u vodoravnoj ravnini i složene u okomitom smjeru. To je djelomično zbog na nižu kapacitivnu reaktanciju (XC) povezanu sa smanjenim parazitskim kapacitetom između krajnjeg terminala i unutarnjeg svitka. Niži XC proizvest će višu frekvenciju vlastite rezonancije, a zatim će omogućiti da impedancija feritnog zrnca nastavi rasti sve dok ne postiže veću frekvenciju vlastite rezonancije, koja je viša od standardne strukture feritnih zrna. Vrijednost impedancije. Krivulje gornja dva feritna zrna od 1000 ohma prikazane su na slici 10.
Kako bismo dodatno prikazali učinke ispravnog i netočnog odabira feritnih kuglica, upotrijebili smo jednostavan ispitni krug i ispitnu ploču kako bismo demonstrirali većinu sadržaja o kojem se gore raspravljalo. Na slici 11, ispitna ploča prikazuje položaje triju feritnih kuglica i ispitne točke označene “A”, “B” i “C”, koji se nalaze na udaljenosti od izlaznog (TX) uređaja predajnika.
Cjelovitost signala mjeri se na izlaznoj strani feritnih kuglica u svakoj od tri pozicije i ponavlja se s dvije feritne kuglice izrađene od različitih materijala. Prvi materijal, niskofrekventni "S" materijal s gubicima, ispitan je na točkama “A”, “B” i “C”. Zatim je korišten materijal “D” više frekvencije. Rezultati od točke do točke korištenjem ova dva feritna zrna prikazani su na slici 12.
"Prolazni" nefiltrirani signal prikazan je u srednjem redu, pokazujući nešto prekoračenja i podbacivanja na rastućim i padajućim rubovima, respektivno. Može se vidjeti da upotrebom ispravnog materijala za gore navedene uvjete ispitivanja, materijal s nižim gubicima frekvencije pokazuje dobar prekoračenje i poboljšanje signala podbačaja na uzlaznim i silaznim rubovima. Ovi rezultati prikazani su u gornjem retku slike 12. Rezultat korištenja visokofrekventnih materijala može uzrokovati zvonjavu, koja pojačava svaku razinu i povećava razdoblje nestabilnosti. Ovi rezultati ispitivanja su prikazano u donjem redu.
Kada se gleda poboljšanje EMI-ja s frekvencijom u preporučenom gornjem dijelu (Slika 12) u vodoravnom skeniranju prikazanom na slici 13, može se vidjeti da za sve frekvencije ovaj dio značajno smanjuje EMI skokove i smanjuje ukupnu razinu šuma na 30 do približno U rasponu od 350 MHz, prihvatljiva razina je daleko ispod EMI granice označene crvenom linijom.Ovo je opći regulatorni standard za opremu klase B (FCC dio 15 u Sjedinjenim Američkim Državama). Materijal "S" koji se koristi u feritnim kuglicama posebno se koristi za ove niže frekvencije. Može se vidjeti da kada frekvencija prijeđe 350 MHz, “S” materijal ima ograničen utjecaj na izvornu, nefiltriranu EMI razinu buke, ali smanjuje veliki skok na 750 MHz za oko 6 dB. Ako je glavni dio problema EMI buke viši od 350 MHz, trebate razmotriti korištenje feritnih materijala viših frekvencija čija je najveća impedancija viša u spektru.
Naravno, sva zvonjenja (kao što je prikazano na donjoj krivulji na slici 12) obično se mogu izbjeći stvarnim testiranjem performansi i/ili softverom za simulaciju, ali nadamo se da će ovaj članak omogućiti čitateljima da zaobiđu mnoge uobičajene pogreške i smanje potrebu za odaberite ispravno vrijeme feritnih kuglica i pružite "educiraniju" početnu točku kada su feritne kuglice potrebne za rješavanje problema s EMI-jem.
Konačno, najbolje je odobriti seriju ili seriju feritnih kuglica, a ne samo jedan broj dijela, za više izbora i fleksibilnost dizajna. Treba imati na umu da različiti dobavljači koriste različite materijale, a učestalost svakog dobavljača mora se pregledati , posebno kada se za isti projekt kupuje višestruko. Pomalo je lako to učiniti prvi put, ali kada se dijelovi unesu u bazu podataka komponenti pod kontrolnim brojem, mogu se koristiti bilo gdje.Važno je da je frekvencijska izvedba dijelova različitih dobavljača vrlo slična kako bi se eliminirala mogućnost drugih primjena u budućnosti. Došlo je do problema. Najbolji način je dobiti slične podatke od različitih dobavljača i imati barem krivulju impedancije. Ovo će također osigurati da se ispravne feritne kuglice koriste za rješavanje vašeg EMI problema.
Chris Burket radi u TDK-u od 1995. i sada je viši inženjer aplikacija, podržavajući veliki broj pasivnih komponenti. Bio je uključen u dizajn proizvoda, tehničku prodaju i marketing. G.Burket je napisao i objavio tehničke radove na mnogim forumima.Burket je dobio tri američka patenta za optičke/mehaničke sklopke i kondenzatore.
In Compliance je glavni izvor vijesti, informacija, obrazovanja i inspiracije za stručnjake u elektrotehnici i elektroničkom inženjerstvu.
Zrakoplovstvo Automobilske komunikacije Potrošačka elektronika Obrazovanje Energija i struja Informacijska tehnologija Medicinska vojska i nacionalna obrana