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Eine häufige Situation: Ein Konstrukteur fügt eine Ferritperle in einen Schaltkreis mit EMV-Problemen ein und stellt dann fest, dass die Perle tatsächlich unerwünschte Geräusche verschlimmert. Wie könnte das sein? Sollten Ferritperlen nicht Rauschenergie eliminieren, ohne das Problem zu verschlimmern?
Die Antwort auf diese Frage ist ziemlich einfach, wird aber möglicherweise nicht allgemein verstanden, außer für diejenigen, die die meiste Zeit mit der Lösung von EMI-Problemen verbringen. Vereinfacht gesagt, sind Ferritperlen keine Ferritperlen, keine Ferritperlen usw. Die meisten Hersteller von Ferritperlen bieten diese an eine Tabelle, in der die Teilenummer, die Impedanz bei einer bestimmten Frequenz (normalerweise 100 MHz), der Gleichstromwiderstand (DCR), der maximale Nennstrom und einige Informationen zu Abmessungen aufgeführt sind (siehe Tabelle 1). Alles ist fast Standard. Was in den Daten nicht angezeigt wird Das Blatt enthält die Materialinformationen und die entsprechenden Frequenz-Leistungsmerkmale.
Ferritperlen sind ein passives Gerät, das Rauschenergie in Form von Wärme aus dem Schaltkreis entfernen kann. Magnetperlen erzeugen eine Impedanz in einem weiten Frequenzbereich und eliminieren so die unerwünschte Rauschenergie in diesem Frequenzbereich ganz oder teilweise. Für Gleichspannungsanwendungen ( B. die Vcc-Leitung eines IC), ist ein niedriger Gleichstromwiderstandswert wünschenswert, um große Leistungsverluste in der erforderlichen Signal- und/oder Spannungs- oder Stromquelle zu vermeiden (I2 x DCR-Verlust). hohe Impedanz in bestimmten definierten Frequenzbereichen. Daher hängt die Impedanz vom verwendeten Material (Permeabilität), der Größe der Ferritperle, der Anzahl der Wicklungen und dem Wicklungsaufbau ab. Offensichtlich bei einer bestimmten Gehäusegröße und einem bestimmten verwendeten Material Je mehr Wicklungen vorhanden sind, desto höher ist die Impedanz. Da jedoch die physische Länge der internen Spule länger ist, führt dies auch zu einem höheren Gleichstromwiderstand. Der Nennstrom dieser Komponente ist umgekehrt proportional zu ihrem Gleichstromwiderstand.
Einer der grundlegenden Aspekte bei der Verwendung von Ferritperlen in EMI-Anwendungen besteht darin, dass sich die Komponente in der Widerstandsphase befinden muss. Was bedeutet das? Vereinfacht ausgedrückt bedeutet dies, dass „R“ (Wechselstromwiderstand) größer sein muss als „XL“ (induktiv). Reaktanz).Bei Frequenzen, bei denen XL> R (niedrigere Frequenz) ist, ähnelt das Bauteil eher einer Induktivität als einem Widerstand. Bei der Frequenz R> XL verhält sich das Teil wie ein Widerstand, was eine erforderliche Eigenschaft von Ferritperlen ist Die Frequenz, bei der „R“ größer als „XL“ wird, wird als „Crossover“-Frequenz bezeichnet. Dies ist in Abbildung 1 dargestellt, wobei die Crossover-Frequenz in diesem Beispiel 30 MHz beträgt und durch einen roten Pfeil markiert ist.
Eine andere Möglichkeit, dies zu betrachten, ist die tatsächliche Leistung der Komponente während ihrer Induktivitäts- und Widerstandsphase. Wie bei anderen Anwendungen, bei denen die Impedanz der Induktivität nicht angepasst ist, wird ein Teil des eingehenden Signals zur Quelle zurückreflektiert. Dies kann der Fall sein Bieten einen gewissen Schutz für die empfindlichen Geräte auf der anderen Seite der Ferritperle, führen aber auch „L“ in den Stromkreis ein, was zu Resonanzen und Schwingungen (Klingeln) führen kann. Wenn die Magnetperlen daher immer noch induktiver Natur sind, Teil Abhängig von den Induktivitäts- und Impedanzwerten wird ein Teil der Rauschenergie reflektiert und ein Teil der Rauschenergie durchgelassen.
Wenn sich die Ferritperle in ihrer Widerstandsphase befindet, verhält sich die Komponente wie ein Widerstand, d. h. sie blockiert Rauschenergie und absorbiert diese Energie aus dem Stromkreis und absorbiert sie in Form von Wärme. Obwohl sie auf die gleiche Weise wie einige Induktivitäten aufgebaut sind, verwenden sie Da sie denselben Prozess, dieselbe Produktionslinie und dieselbe Technologie, dieselben Maschinen und teilweise dieselben Komponentenmaterialien verwenden, verwenden Ferritperlen verlustbehaftete Ferritmaterialien, während Induktoren verlustarmes Eisen-Sauerstoff-Material verwenden. Dies ist in der Kurve in Abbildung 2 dargestellt.
Die Abbildung zeigt [μ''], was das Verhalten des verlustbehafteten Ferritperlenmaterials widerspiegelt.
Die Tatsache, dass die Impedanz bei 100 MHz angegeben wird, ist ebenfalls Teil des Auswahlproblems. In vielen Fällen von EMI ist die Impedanz bei dieser Frequenz irrelevant und irreführend. Der Wert dieses „Punkts“ gibt keinen Hinweis darauf, ob die Impedanz zunimmt oder abnimmt , flach wird und die Impedanz bei dieser Frequenz ihren Spitzenwert erreicht und ob sich das Material noch in seiner Induktivitätsphase befindet oder in seine Widerstandsphase übergegangen ist. Tatsächlich verwenden viele Ferritperlenlieferanten mehrere Materialien für dieselbe Ferritperle oder mindestens wie im Datenblatt dargestellt. Siehe Abbildung 3. Alle 5 Kurven in dieser Abbildung beziehen sich auf verschiedene 120-Ohm-Ferritperlen.
Anschließend muss der Benutzer die Impedanzkurve erhalten, die die Frequenzeigenschaften der Ferritperle zeigt. Ein Beispiel einer typischen Impedanzkurve ist in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4 zeigt eine sehr wichtige Tatsache. Dieser Teil wird als 50-Ohm-Ferritperle mit einer Frequenz von 100 MHz bezeichnet, aber seine Übergangsfrequenz beträgt etwa 500 MHz und er erreicht mehr als 300 Ohm zwischen 1 und 2,5 GHz. Noch einmal, gerade Ein Blick auf das Datenblatt gibt dem Benutzer darüber keinen Aufschluss und kann irreführend sein.
Wie in der Abbildung gezeigt, variieren die Eigenschaften der Materialien. Es gibt viele Varianten von Ferrit, die zur Herstellung von Ferritperlen verwendet werden. Einige Materialien sind verlustreich, breitbandig, hochfrequent, niedrig Einfügedämpfung usw. Abbildung 5 zeigt die allgemeine Gruppierung nach Anwendungsfrequenz und Impedanz.
Ein weiteres häufiges Problem besteht darin, dass Leiterplattenentwickler manchmal auf die Auswahl von Ferritperlen in ihrer genehmigten Komponentendatenbank beschränkt sind. Wenn das Unternehmen nur über wenige Ferritperlen verfügt, die für die Verwendung in anderen Produkten zugelassen sind und als zufriedenstellend erachtet werden, ist dies in vielen Fällen der Fall. Es ist nicht erforderlich, andere Materialien und Teilenummern zu bewerten und zu genehmigen. Dies hat in der jüngeren Vergangenheit immer wieder zu einigen verschärfenden Auswirkungen des oben beschriebenen ursprünglichen EMI-Rauschenproblems geführt. Die bisher wirksame Methode kann auf das nächste Projekt oder darauf anwendbar sein ist möglicherweise nicht effektiv. Sie können nicht einfach der EMI-Lösung des vorherigen Projekts folgen, insbesondere wenn sich die Frequenz des erforderlichen Signals oder die Frequenz potenziell strahlender Komponenten wie Uhrenausrüstung ändert.
Wenn Sie sich die beiden Impedanzkurven in Abbildung 6 ansehen, können Sie die Materialeffekte zweier ähnlich bezeichneter Teile vergleichen.
Für diese beiden Komponenten beträgt die Impedanz bei 100 MHz 120 Ohm. Für den linken Teil beträgt die maximale Impedanz bei Verwendung des „B“-Materials etwa 150 Ohm und wird bei 400 MHz realisiert. Für den rechten Teil Bei Verwendung des „D“-Materials beträgt die maximale Impedanz 700 Ohm, die bei etwa 700 MHz erreicht wird. Der größte Unterschied besteht jedoch in der Übergangsfrequenz. Das ultrahohe Verlustmaterial „B“ wechselt bei 6 MHz (R> XL). , während das sehr hochfrequente „D“-Material bei etwa 400 MHz induktiv bleibt. Welches Teil ist das richtige? Das hängt von der jeweiligen Anwendung ab.
Abbildung 7 zeigt alle häufigen Probleme, die auftreten, wenn die falschen Ferritperlen zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen ausgewählt werden. Das ungefilterte Signal zeigt eine Unterschwingung von 474,5 mV bei einem Impuls von 3,5 V und 1 µS.
Als Ergebnis der Verwendung eines Materials mit hohem Verlust (mittleres Diagramm) nimmt die Unterschwingung der Messung aufgrund der höheren Übergangsfrequenz des Teils zu. Die Signalunterschwingung stieg von 474,5 mV auf 749,8 mV. Das Super-High-Loss-Material hat eine niedrige Übergangsfrequenz und gute Leistung. Für diese Anwendung ist es das richtige Material (Bild rechts). Der Unterschwinger wird bei diesem Teil auf 156,3 mV reduziert.
Wenn der Gleichstrom durch die Perlen zunimmt, beginnt das Kernmaterial zu sättigen. Bei Induktoren wird dies als Sättigungsstrom bezeichnet und als prozentualer Abfall des Induktivitätswerts angegeben. Bei Ferritperlen gilt, wenn sich das Teil in der Widerstandsphase befindet Der Effekt der Sättigung spiegelt sich in der Abnahme des Impedanzwerts mit der Frequenz wider. Dieser Abfall der Impedanz verringert die Wirksamkeit der Ferritperlen und ihre Fähigkeit, EMI (AC)-Rauschen zu eliminieren. Abbildung 8 zeigt eine Reihe typischer DC-Vorspannungskurven für Ferritperlen.
In dieser Abbildung hat die Ferritperle einen Nennwiderstand von 100 Ohm bei 100 MHz. Dies ist die typische gemessene Impedanz, wenn das Teil keinen Gleichstrom hat. Es ist jedoch zu erkennen, dass, sobald ein Gleichstrom angelegt wird (z. B. für IC VCC Eingang), fällt die effektive Impedanz stark ab. In der obigen Kurve ändert sich bei einem Strom von 1,0 A die effektive Impedanz von 100 Ohm auf 20 Ohm.100 MHz. Vielleicht nicht allzu kritisch, aber etwas, worauf der Konstrukteur achten muss. Ebenso, indem nur die elektrischen Kenndaten verwendet werden Wenn Sie im Datenblatt des Lieferanten auf die Komponente verweisen, wird der Benutzer dieses DC-Bias-Phänomen nicht bemerken.
Wie bei Hochfrequenz-HF-Induktivitäten hat die Wicklungsrichtung der inneren Spule in der Ferritperle einen großen Einfluss auf die Frequenzeigenschaften der Perle. Die Wicklungsrichtung beeinflusst nicht nur das Verhältnis zwischen Impedanz und Frequenzpegel, sondern verändert auch den Frequenzgang. In Abbildung 9 sind zwei 1000-Ohm-Ferritperlen mit gleicher Gehäusegröße und gleichem Material, aber mit zwei unterschiedlichen Wicklungskonfigurationen dargestellt.
Die Spulen des linken Teils sind in der vertikalen Ebene gewickelt und in horizontaler Richtung gestapelt, was eine höhere Impedanz und einen höheren Frequenzgang erzeugt als der Teil auf der rechten Seite, der in der horizontalen Ebene gewickelt und in vertikaler Richtung gestapelt ist. Dies ist teilweise darauf zurückzuführen zu der niedrigeren kapazitiven Reaktanz (XC), die mit der verringerten parasitären Kapazität zwischen dem Endanschluss und der internen Spule verbunden ist. Ein niedrigerer XC erzeugt eine höhere Eigenresonanzfrequenz und ermöglicht dann, dass die Impedanz der Ferritperle weiter ansteigt, bis sie erreicht ist erreicht eine höhere Eigenresonanzfrequenz, die höher ist als die Standardstruktur der Ferritperle. Der Impedanzwert. Die Kurven der beiden oben genannten 1000-Ohm-Ferritperlen sind in Abbildung 10 dargestellt.
Um die Auswirkungen der richtigen und falschen Ferritperlenauswahl weiter zu veranschaulichen, haben wir einen einfachen Testschaltkreis und eine Testplatine verwendet, um den Großteil des oben besprochenen Inhalts zu demonstrieren. In Abbildung 11 zeigt die Testplatine die Positionen von drei Ferritperlen und die markierten Testpunkte „A“, „B“ und „C“, die sich in einiger Entfernung vom Senderausgangsgerät (TX) befinden.
Die Signalintegrität wird auf der Ausgangsseite der Ferritperlen in jeder der drei Positionen gemessen und mit zwei Ferritperlen aus unterschiedlichen Materialien wiederholt. Das erste Material, ein niederfrequentes verlustbehaftetes „S“-Material, wurde punktuell getestet „A“, „B“ und „C“. Als nächstes wurde ein höherfrequentes „D“-Material verwendet. Die Punkt-zu-Punkt-Ergebnisse mit diesen beiden Ferritperlen sind in Abbildung 12 dargestellt.
Das ungefilterte „Durchgangssignal“ wird in der mittleren Zeile angezeigt und zeigt ein gewisses Überschwingen und Unterschwingen an den ansteigenden bzw. abfallenden Flanken. Es ist ersichtlich, dass bei Verwendung des richtigen Materials für die oben genannten Testbedingungen das verlustbehaftete Material mit niedrigerer Frequenz ein gutes Überschwingen zeigt und Unterschwingungssignalverbesserung an den ansteigenden und abfallenden Flanken. Diese Ergebnisse sind in der oberen Reihe von Abbildung 12 dargestellt. Das Ergebnis der Verwendung von Hochfrequenzmaterialien kann zu Überschwingungen führen, die jeden Pegel verstärken und die Instabilitätsperiode verlängern. Diese Testergebnisse sind in der unteren Reihe angezeigt.
Betrachtet man die Verbesserung der EMI mit der Frequenz im empfohlenen oberen Teil (Abbildung 12) im horizontalen Scan, der in Abbildung 13 dargestellt ist, kann man sehen, dass dieser Teil für alle Frequenzen EMI-Spitzen deutlich reduziert und den Gesamtgeräuschpegel um 30 reduziert bis ca. Im 350-MHz-Bereich liegt der akzeptable Wert weit unter dem durch die rote Linie hervorgehobenen EMI-Grenzwert. Dies ist der allgemeine Regulierungsstandard für Geräte der Klasse B (FCC Teil 15 in den Vereinigten Staaten). Das in Ferritperlen verwendete „S“-Material wird speziell für diese niedrigeren Frequenzen verwendet. Es ist ersichtlich, dass, sobald die Frequenz 350 MHz überschreitet, die „S“-Material hat einen begrenzten Einfluss auf den ursprünglichen, ungefilterten EMI-Rauschenpegel, reduziert jedoch eine starke Spitze bei 750 MHz um etwa 6 dB. Wenn der Hauptteil des EMI-Rauschenproblems höher als 350 MHz ist, müssen Sie dies tun Erwägen Sie die Verwendung von Ferritmaterialien mit höherer Frequenz, deren maximale Impedanz im Spektrum höher liegt.
Natürlich kann jedes Klingeln (wie in der unteren Kurve von Abbildung 12 dargestellt) normalerweise durch tatsächliche Leistungstests und/oder Simulationssoftware vermieden werden, aber wir hoffen, dass dieser Artikel es den Lesern ermöglicht, viele häufige Fehler zu umgehen und die Notwendigkeit zu verringern Wählen Sie die richtige Ferritperlenzeit aus und bieten Sie einen fundierteren Ausgangspunkt, wenn Ferritperlen zur Lösung von EMI-Problemen benötigt werden.
Schließlich ist es am besten, eine Serie oder Serie von Ferritperlen und nicht nur eine einzelne Teilenummer zu genehmigen, um mehr Auswahlmöglichkeiten und Designflexibilität zu erhalten. Es ist zu beachten, dass verschiedene Lieferanten unterschiedliche Materialien verwenden und die Frequenzleistung jedes Lieferanten überprüft werden muss Dies gilt insbesondere dann, wenn mehrere Einkäufe für das gleiche Projekt getätigt werden. Dies ist beim ersten Mal etwas einfach, aber sobald die Teile unter einer Kontrollnummer in die Komponentendatenbank eingegeben wurden, können sie anschließend überall verwendet werden. Wichtig ist, dass die Frequenzleistung von Teilen verschiedener Lieferanten sehr ähnlich ist, um die Möglichkeit anderer Anwendungen in der Zukunft auszuschließen. Das Problem ist aufgetreten. Der beste Weg besteht darin, ähnliche Daten von verschiedenen Lieferanten zu erhalten und zumindest eine Impedanzkurve zu haben. Dadurch wird auch sichergestellt, dass die richtigen Ferritperlen zur Lösung Ihres EMI-Problems verwendet werden.
Chris Burket arbeitet seit 1995 bei TDK und ist heute leitender Anwendungsingenieur, der eine große Anzahl passiver Komponenten unterstützt. Er war in den Bereichen Produktdesign, technischer Vertrieb und Marketing tätig. Burket hat in vielen Foren technische Artikel geschrieben und veröffentlicht. Burket hat drei US-Patente für optische/mechanische Schalter und Kondensatoren erhalten.
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