novice

Običajna situacija: oblikovalec vstavi feritno kroglico v vezje, ki ima težave z elektromagnetno združljivostjo, samo da ugotovi, da kroglica dejansko povzroči neželen šum. Kako je to mogoče? Ali ne bi feritne kroglice odpravile hrupno energijo, ne da bi težavo poslabšale?
Odgovor na to vprašanje je dokaj preprost, vendar ga morda ne bodo razumeli vsi, razen tisti, ki večino časa porabijo za reševanje težav z elektromagnetnimi motnjami. Preprosto povedano, feritne kroglice niso feritne kroglice, ne feritne kroglice itd. Večina proizvajalcev feritnih kroglic ponuja tabelo, ki navaja njihovo številko dela, impedanco pri določeni frekvenci (običajno 100 MHz), enosmerni upor (DCR), največji nazivni tok in nekatere informacije o dimenzijah (glejte tabelo 1). Vse je skoraj standardno. Kaj ni prikazano v podatkih list vsebuje informacije o materialu in ustrezne značilnosti delovanja frekvence.
Feritne kroglice so pasivna naprava, ki lahko odstrani hrupno energijo iz tokokroga v obliki toplote. Magnetne kroglice ustvarjajo impedanco v širokem frekvenčnem območju in tako odstranijo celotno ali del neželene hrupne energije v tem frekvenčnem območju. Za aplikacije enosmerne napetosti ( kot je linija Vcc IC), je zaželeno imeti nizko vrednost upora enosmernega toka, da se izognete velikim izgubam moči v zahtevanem viru signala in/ali napetosti ali toka (I2 x izguba DCR). Vendar pa je zaželeno imeti visoka impedanca v določenih definiranih frekvenčnih območjih. Zato je impedanca povezana z uporabljenim materialom (prepustnost), velikostjo feritne kroglice, številom navitij in strukturo navitja. Očitno je, da je v določeni velikosti ohišja in specifičnem uporabljenem materialu , več kot je navitij, višja je impedanca, a ker je fizična dolžina notranje tuljave daljša, bo to povzročilo tudi večjo enosmerno upornost. Nazivni tok te komponente je obratno sorazmeren z njeno enosmerno upornostjo.
Eden od osnovnih vidikov uporabe feritnih kroglic v aplikacijah EMI je, da mora biti komponenta v fazi upora. Kaj to pomeni? Preprosto povedano, to pomeni, da mora biti »R« (izmenični upor) večji od »XL« (induktivni reaktanca). Pri frekvencah, kjer je XL> R (nižja frekvenca), je komponenta bolj podobna induktorju kot uporu. Pri frekvenci R> XL se del obnaša kot upor, kar je zahtevana lastnost feritnih kroglic. frekvenca, pri kateri »R« postane večja od »XL«, se imenuje frekvenca »crossoverja«. To je prikazano na sliki 1, kjer je frekvenca crossoverja v tem primeru 30 MHz in je označena z rdečo puščico.
Na to lahko pogledamo še z vidika tega, kaj komponenta dejansko izvaja med svojimi fazami induktivnosti in upora. Tako kot pri drugih aplikacijah, kjer se impedanca induktorja ne ujema, se del vhodnega signala odbije nazaj k viru. To lahko zagotavlja določeno zaščito za občutljivo opremo na drugi strani feritne kroglice, vendar tudi vnaša "L" v tokokrog, kar lahko povzroči resonanco in nihanje (zvonjenje). Zato, ko so magnetne kroglice še vedno induktivne narave, del del energije hrupa se bo odbil in del energije hrupa bo prešel, odvisno od vrednosti induktivnosti in impedance.
Ko je feritna kroglica v uporovni fazi, se komponenta obnaša kot upor, zato blokira hrupno energijo in absorbira to energijo iz vezja ter jo absorbira v obliki toplote. Čeprav je izdelana na enak način kot nekateri induktorji, uporablja isti postopek, proizvodna linija in tehnologija, stroji in nekateri enaki sestavni materiali, feritne kroglice uporabljajo feritne materiale z izgubami, medtem ko induktorji uporabljajo material železa kisika z nizkimi izgubami. To je prikazano na krivulji na sliki 2.
Slika prikazuje [μ''], ki odraža obnašanje materiala feritnih kroglic z izgubami.
Dejstvo, da je impedanca podana pri 100 MHz, je prav tako del izbirnega problema. V mnogih primerih EMI je impedanca pri tej frekvenci nepomembna in zavajajoča. Vrednost te "točke" ne kaže, ali se impedanca poveča ali zmanjša , postane ravno in impedanca doseže najvišjo vrednost pri tej frekvenci in ali je material še vedno v fazi induktivnosti ali se je preoblikoval v fazo upora. Pravzaprav mnogi dobavitelji feritnih kroglic uporabljajo več materialov za isto feritno kroglico ali vsaj kot je prikazano na podatkovnem listu. Glejte sliko 3. Vseh 5 krivulj na tej sliki je za različne 120 ohmske feritne kroglice.
Nato mora uporabnik pridobiti impedančno krivuljo, ki prikazuje frekvenčne značilnosti feritne kroglice. Primer tipične impedančne krivulje je prikazan na sliki 4.
Slika 4 prikazuje zelo pomembno dejstvo. Ta del je označen kot 50-ohmska feritna kroglica s frekvenco 100 MHz, vendar je njegova križna frekvenca približno 500 MHz in doseže več kot 300 ohmov med 1 in 2,5 GHz. Še enkrat, samo ogled podatkovnega lista uporabniku tega ne bo dal vedeti in je lahko zavajajoč.
Kot je prikazano na sliki, se lastnosti materialov razlikujejo. Obstaja veliko različic ferita, ki se uporablja za izdelavo feritnih kroglic. Nekateri materiali so visokoizgubni, širokopasovni, visokofrekvenčni, nizke vstavljene izgube in tako naprej. Slika 5 prikazuje splošno razvrščanje po aplikacijsko frekvenco in impedanco.
Druga pogosta težava je, da so oblikovalci vezij včasih omejeni na izbiro feritnih kroglic v svoji odobreni zbirki podatkov o komponentah. Če ima podjetje le nekaj feritnih kroglic, ki so bile odobrene za uporabo v drugih izdelkih in se v mnogih primerih štejejo za zadovoljive, ni potrebno oceniti in odobriti drugih materialov in številk delov. V nedavni preteklosti je to večkrat povzročilo nekatere oteževalne učinke prvotnega problema s šumom EMI, opisanega zgoraj. Prejšnja učinkovita metoda je lahko uporabna za naslednji projekt ali morda ne bo učinkovito. Ne morete preprosto slediti rešitvi EMI prejšnjega projekta, zlasti ko se spremeni frekvenca zahtevanega signala ali frekvenca morebitnih sevalnih komponent, kot je oprema ure.
Če pogledate dve impedančni krivulji na sliki 6, lahko primerjate materialne učinke dveh podobnih označenih delov.
Za ti dve komponenti je impedanca pri 100 MHz 120 ohmov. Za del na levi z uporabo materiala "B" je največja impedanca približno 150 ohmov in se realizira pri 400 MHz. Za del na desni , z uporabo materiala "D" je največja impedanca 700 ohmov, kar je doseženo pri približno 700 MHz. Toda največja razlika je frekvenca križanja. Material "B" z ultra velikimi izgubami prehaja pri 6 MHz (R> XL) , medtem ko zelo visokofrekvenčni material "D" ostane induktiven pri okoli 400 MHz. Kateri del je pravilen za uporabo? Odvisno od vsake posamezne aplikacije.
Slika 7 prikazuje vse pogoste težave, ki se pojavijo, ko so izbrane napačne feritne kroglice za zatiranje elektromagnetnih motenj. Nefiltriran signal kaže 474,5 mV nižjo vrednost pri impulzu 3,5 V, 1 uS.
Zaradi uporabe materiala z visokimi izgubami (osrednji graf) se podstrek meritve poveča zaradi višje križne frekvence dela. Podlet signala se je povečal s 474,5 mV na 749,8 mV. Material s super visokimi izgubami ima nizka frekvenca križanja in dobra zmogljivost. To bo pravi material za uporabo v tej aplikaciji (slika na desni). Podstrek z uporabo tega dela se zmanjša na 156,3 mV.
Ko se enosmerni tok skozi kroglice poveča, se material jedra začne nasičiti. Pri induktorjih se to imenuje tok nasičenja in je določen kot odstotek padca vrednosti induktivnosti. Pri feritnih kroglicah, ko je del v fazi upora, je učinek nasičenosti se odraža v zmanjšanju vrednosti impedance s frekvenco. Ta padec impedance zmanjša učinkovitost feritnih kroglic in njihovo zmožnost odpravljanja EMI (AC) šuma. Slika 8 prikazuje nabor značilnih krivulj enosmerne napetosti za feritne kroglice.
Na tej sliki je feritna kroglica ocenjena na 100 ohmov pri 100 MHz. To je tipična izmerjena impedanca, ko del nima enosmernega toka. Vendar pa je razvidno, da ko se uporabi enosmerni tok (na primer za IC VCC vhod), efektivna impedanca močno pade. V zgornji krivulji se za tok 1,0 A efektivna impedanca spremeni s 100 ohmov na 20 ohmov. 100 MHz. Morda ni preveč kritično, a nekaj, na kar mora biti inženir načrtovanja pozoren. Podobno z uporabo samo podatkov o električnih karakteristikah komponente v podatkovnem listu dobavitelja, se uporabnik ne bo zavedal tega pojava enosmerne pristranskosti.
Tako kot visokofrekvenčne induktorje RF ima tudi smer navitja notranje tuljave v feritni kroglici velik vpliv na frekvenčne značilnosti kroglice. Smer navitja ne vpliva samo na razmerje med impedanco in frekvenčnim nivojem, ampak tudi spremeni frekvenčni odziv. Na sliki 9 sta prikazani dve 1000 ohmski feritni kroglici z enako velikostjo ohišja in enakim materialom, vendar z dvema različnima konfiguracijama navitja.
Tuljave levega dela so navite v navpični ravnini in zložene v vodoravni smeri, kar povzroči večjo impedanco in višji frekvenčni odziv kot del na desni strani, navit v vodoravni ravnini in zložene v navpični smeri. To je deloma posledica na nižjo kapacitivno reaktanco (XC), povezano z zmanjšano parazitsko kapacitivnostjo med končnim terminalom in notranjo tuljavo. Nižja XC bo povzročila višjo frekvenco lastne resonance in nato omogočila, da se impedanca feritne kroglice še naprej povečuje, dokler ne doseže višjo frekvenco lastne resonance, ki je višja od standardne strukture feritnih kroglic. Vrednost impedance. Krivulji zgornjih dveh feritnih kroglic 1000 ohmov sta prikazani na sliki 10.
Za nadaljnji prikaz učinkov pravilne in nepravilne izbire feritnih kroglic smo uporabili preprosto preskusno vezje in testno ploščo za prikaz večine zgoraj obravnavane vsebine. Na sliki 11 preskusna plošča prikazuje položaje treh feritnih kroglic in označene preskusne točke “A”, “B” in “C”, ki se nahajajo na razdalji od izhodne (TX) naprave oddajnika.
Celovitost signala se meri na izhodni strani feritnih kroglic v vsakem od treh položajev in se ponovi z dvema feritnima kroglicama iz različnih materialov. Prvi material, nizkofrekvenčni izgubni "S" material, je bil testiran na točkah »A«, »B« in »C«. Nato je bil uporabljen material »D« z višjo frekvenco. Rezultati od točke do točke z uporabo teh dveh feritnih kroglic so prikazani na sliki 12.
»Skozi« nefiltriran signal je prikazan v srednji vrstici in kaže nekaj prekoračitve oziroma podsezitve na naraščajočih oziroma padajočih robovih. Vidimo lahko, da ob uporabi pravilnega materiala za zgornje testne pogoje nizkofrekvenčni izgubni material kaže dobro prekoračitev in izboljšanje signala podstreska na naraščajočih in padajočih robovih. Ti rezultati so prikazani v zgornji vrstici slike 12. Rezultat uporabe visokofrekvenčnih materialov lahko povzroči zvonjenje, ki okrepi vsako raven in podaljša obdobje nestabilnosti. prikazano v spodnji vrstici.
Če pogledamo izboljšanje EMI s frekvenco v priporočenem zgornjem delu (slika 12) v vodoravnem skeniranju, prikazanem na sliki 13, lahko vidimo, da ta del za vse frekvence znatno zmanjša EMI konice in zmanjša splošno raven hrupa pri 30 do približno V območju 350 MHz je sprejemljiva raven daleč pod mejo EMI, označeno z rdečo črto. To je splošni predpisani standard za opremo razreda B (FCC del 15 v Združenih državah). Material »S«, uporabljen v feritnih kroglicah, se uporablja posebej za te nižje frekvence. Vidimo lahko, da ko frekvenca preseže 350 MHz, Material »S« ima omejen vpliv na izvirno, nefiltrirano raven hrupa EMI, vendar zmanjša večji skok pri 750 MHz za približno 6 dB. Če je glavni del problema hrupa EMI višji od 350 MHz, morate razmislite o uporabi feritnih materialov z višjo frekvenco, katerih največja impedanca je višja v spektru.
Seveda se je vsem zvonjenjem (kot je prikazano na spodnji krivulji na sliki 12) običajno mogoče izogniti z dejanskim testiranjem zmogljivosti in/ali programsko opremo za simulacijo, vendar upamo, da bo ta članek bralcem omogočil obiti številne pogoste napake in zmanjšati potrebo po izberite pravi čas feritnih kroglic in zagotovite bolj »izobraženo« izhodišče, ko so feritne kroglice potrebne za pomoč pri reševanju težav z elektromagnetnimi motnjami.
Končno je najbolje, da odobrite serijo ali serijo feritnih kroglic, ne le ene številke dela, za večjo izbiro in prilagodljivost oblikovanja. Opozoriti je treba, da različni dobavitelji uporabljajo različne materiale, zato je treba pregledati frekvenčno delovanje vsakega dobavitelja , še posebej, če je za isti projekt opravljenih več nakupov. To je nekoliko enostavno narediti prvič, ko pa so deli vneseni v bazo podatkov komponent pod kontrolno številko, jih je mogoče uporabiti kjer koli. Pomembno je, da je frekvenčna zmogljivost delov različnih dobaviteljev zelo podobna, da se odpravi možnost drugih aplikacij v prihodnosti. Težava se je pojavila. Najboljši način je pridobiti podobne podatke od različnih dobaviteljev in imeti vsaj krivuljo impedance. To bo tudi zagotovilo, da se za rešitev vaše težave z elektromagnetnimi motnjami uporabljajo pravilne feritne kroglice.
Chris Burket dela pri TDK od leta 1995 in je zdaj višji aplikacijski inženir, ki podpira veliko število pasivnih komponent. Vključen je bil v oblikovanje izdelkov, tehnično prodajo in trženje. G. Burket je napisal in objavil tehnične članke na številnih forumih. Burket je pridobil tri ameriške patente za optična/mehanska stikala in kondenzatorje.
In Compliance je glavni vir novic, informacij, izobraževanja in navdiha za strokovnjake na področju elektrotehnike in elektronike.
Aerospace Avtomobilske komunikacije Potrošniška elektronika Izobraževanje Energetika in električna industrija Informacijska tehnologija Medicina Vojska in nacionalna obramba