nieuws

Een veel voorkomende situatie: een ontwerpingenieur steekt een ferrietkraal in een circuit met EMC-problemen, maar ontdekt dat de kraal het ongewenste geluid verergert. Hoe kan dit? Moeten ferrietkralen de geluidsenergie niet elimineren zonder het probleem te verergeren?
Het antwoord op deze vraag is vrij eenvoudig, maar wordt misschien niet algemeen begrepen, behalve voor degenen die het grootste deel van de tijd besteden aan het oplossen van EMI-problemen. Simpel gezegd: ferrietkralen zijn geen ferrietkralen, geen ferrietkralen, enz. De meeste fabrikanten van ferrietkralen bieden een tabel met het onderdeelnummer, impedantie bij een bepaalde frequentie (meestal 100 MHz), gelijkstroomweerstand (DCR), maximale nominale stroom en enkele afmetingen Informatie (zie tabel 1). Alles is bijna standaard. Wat wordt niet weergegeven in de gegevens blad bevat de materiaalinformatie en de bijbehorende frequentieprestatiekenmerken.
Ferrietkralen zijn een passief apparaat dat ruisenergie uit het circuit kan verwijderen in de vorm van warmte. Magnetische kralen genereren impedantie in een breed frequentiebereik, waardoor de ongewenste ruisenergie in dit frequentiebereik geheel of gedeeltelijk wordt geëlimineerd. Voor gelijkspanningstoepassingen ( zoals de Vcc-lijn van een IC), is het wenselijk om een ​​lage DC-weerstandswaarde te hebben om grote vermogensverliezen in de vereiste signaal- en/of spannings- of stroombron (I2 x DCR-verlies) te voorkomen. Het is echter wenselijk om hoge impedantie in bepaalde gedefinieerde frequentiebereiken. Daarom is de impedantie gerelateerd aan het gebruikte materiaal (permeabiliteit), de grootte van de ferrietkraal, het aantal wikkelingen en de wikkelingsstructuur. Het is duidelijk dat bij een gegeven behuizingsgrootte en specifiek gebruikt materiaal Hoe meer wikkelingen, hoe hoger de impedantie, maar naarmate de fysieke lengte van de interne spoel langer is, zal dit ook een hogere DC-weerstand opleveren. De nominale stroom van dit onderdeel is omgekeerd evenredig met zijn DC-weerstand.
Een van de basisaspecten van het gebruik van ferrietkralen in EMI-toepassingen is dat de component zich in de weerstandsfase moet bevinden. Wat betekent dit? Simpel gezegd betekent dit dat “R” (AC-weerstand) groter moet zijn dan “XL” (inductieve weerstand). reactantie). Bij frequenties waarbij XL> R (lagere frequentie) lijkt de component meer op een inductor dan op een weerstand. Bij de frequentie van R> XL gedraagt ​​het onderdeel zich als een weerstand, wat een vereist kenmerk is van ferrietkralen. De frequentie waarbij “R” groter wordt dan “XL” wordt de “crossover”-frequentie genoemd. Dit wordt weergegeven in figuur 1, waar de crossover-frequentie in dit voorbeeld 30 MHz is en wordt gemarkeerd door een rode pijl.
Een andere manier om hiernaar te kijken is door te kijken naar wat de component daadwerkelijk presteert tijdens de inductie- en weerstandsfase. Net als bij andere toepassingen waarbij de impedantie van de inductor niet overeenkomt, wordt een deel van het binnenkomende signaal teruggekaatst naar de bron. biedt enige bescherming voor de gevoelige apparatuur aan de andere kant van de ferrietkraal, maar introduceert ook “L” in het circuit, wat resonantie en oscillatie (rinkelen) kan veroorzaken. Daarom, als de magnetische kralen nog steeds inductief van aard zijn, van de ruisenergie zal worden gereflecteerd en een deel van de ruisenergie zal passeren, afhankelijk van de inductantie- en impedantiewaarden.
Wanneer de ferrietkraal zich in de resistieve fase bevindt, gedraagt ​​het onderdeel zich als een weerstand, dus blokkeert het ruisenergie en absorbeert die energie uit het circuit, en absorbeert deze in de vorm van warmte. Hoewel ze op dezelfde manier zijn geconstrueerd als sommige inductoren, hetzelfde proces, dezelfde productielijn en technologie, machines en sommige van dezelfde componentmaterialen, ferrietkralen gebruiken ferrietmaterialen met verlies, terwijl inductoren ijzerzuurstofmateriaal met laag verlies gebruiken. Dit wordt weergegeven in de curve in figuur 2.
De figuur toont [μ''], wat het gedrag van het verliesgevende ferrietkraalmateriaal weerspiegelt.
Het feit dat de impedantie wordt gegeven op 100 MHz maakt ook deel uit van het selectieprobleem. In veel gevallen van EMI is de impedantie bij deze frequentie niet relevant en misleidend. De waarde van dit “punt” geeft niet aan of de impedantie toeneemt, afneemt , plat wordt en de impedantie zijn piekwaarde bereikt bij deze frequentie, en of het materiaal zich nog in de inductiefase bevindt of in de weerstandsfase is getransformeerd. Veel leveranciers van ferrietkralen gebruiken meerdere materialen voor dezelfde ferrietkralen, of tenminste zoals weergegeven in het gegevensblad. Zie afbeelding 3. Alle 5 curven in deze afbeelding zijn voor verschillende ferrietkralen van 120 ohm.
Wat de gebruiker vervolgens moet verkrijgen is de impedantiecurve die de frequentiekarakteristieken van de ferrietkraal toont. Een voorbeeld van een typische impedantiecurve wordt getoond in Figuur 4.
Figuur 4 laat een heel belangrijk feit zien. Dit onderdeel wordt aangeduid als een ferrietkraal van 50 ohm met een frequentie van 100 MHz, maar de crossover-frequentie is ongeveer 500 MHz en bereikt meer dan 300 ohm tussen 1 en 2,5 GHz. Nogmaals, gewoon Als u naar het gegevensblad kijkt, weet de gebruiker dit niet en kan dit misleidend zijn.
Zoals weergegeven in de afbeelding variëren de eigenschappen van de materialen. Er worden veel varianten van ferriet gebruikt om ferrietkralen te maken. Sommige materialen zijn met hoog verlies, breedband, hoge frequentie, laag invoegverlies enzovoort. Afbeelding 5 toont de algemene groepering op basis van toepassingsfrequentie en impedantie.
Een ander veel voorkomend probleem is dat ontwerpers van printplaten soms beperkt zijn tot de selectie van ferrietkralen in hun database met goedgekeurde componenten. Als het bedrijf slechts een paar ferrietkralen heeft die zijn goedgekeurd voor gebruik in andere producten en die in veel gevallen bevredigend worden geacht, het is niet nodig om andere materialen en onderdeelnummers te evalueren en goed te keuren. In het recente verleden heeft dit herhaaldelijk geleid tot enkele verzwarende effecten van het oorspronkelijke hierboven beschreven EMI-ruisprobleem. De voorheen effectieve methode kan van toepassing zijn op het volgende project, of het is mogelijk niet effectief. U kunt niet zomaar de EMI-oplossing van het vorige project volgen, vooral niet wanneer de frequentie van het vereiste signaal verandert of de frequentie van potentieel uitstralende componenten zoals klokapparatuur verandert.
Als u naar de twee impedantiecurven in figuur 6 kijkt, kunt u de materiële effecten van twee soortgelijke aangewezen onderdelen vergelijken.
Voor deze twee componenten is de impedantie bij 100 MHz 120 ohm. Voor het gedeelte aan de linkerkant, waarbij gebruik wordt gemaakt van het “B”-materiaal, is de maximale impedantie ongeveer 150 ohm, en deze wordt gerealiseerd bij 400 MHz. Voor het gedeelte aan de rechterkant Bij gebruik van het “D”-materiaal is de maximale impedantie 700 ohm, wat wordt bereikt bij ongeveer 700 MHz. Maar het grootste verschil is de crossover-frequentie. Het “B”-materiaal met ultrahoog verlies gaat over op 6 MHz (R> XL) , terwijl het zeer hoogfrequente “D”-materiaal inductief blijft rond de 400 MHz. Welk onderdeel is het juiste om te gebruiken? Het hangt af van elke individuele toepassing.
Figuur 7 toont alle veelvoorkomende problemen die optreden als de verkeerde ferrietkralen worden geselecteerd om EMI te onderdrukken. Het ongefilterde signaal vertoont een onderschrijding van 474,5 mV bij een puls van 3,5 V, 1 uS.
Als resultaat van het gebruik van materiaal met een hoog verlies (middenplot), neemt de onderschrijding van de meting toe als gevolg van de hogere crossover-frequentie van het onderdeel. De onderschrijding van het signaal nam toe van 474,5 mV naar 749,8 mV. Het Super High Loss-materiaal heeft een lage crossoverfrequentie en goede prestaties. Het is het juiste materiaal om in deze toepassing te gebruiken (foto rechts). De onderschrijding bij gebruik van dit onderdeel wordt teruggebracht tot 156,3 mV.
Naarmate de gelijkstroom door de kralen toeneemt, begint het kernmateriaal te verzadigen. Voor inductoren wordt dit verzadigingsstroom genoemd en wordt gespecificeerd als een procentuele daling van de inductantiewaarde. Voor ferrietkralen, wanneer het onderdeel zich in de weerstandsfase bevindt, wordt de Het effect van verzadiging wordt weerspiegeld in de afname van de impedantiewaarde met de frequentie. Deze daling van de impedantie vermindert de effectiviteit van de ferrietkralen en hun vermogen om EMI (AC) ruis te elimineren. Figuur 8 toont een reeks typische DC-voorspanningscurven voor ferrietkralen.
In deze afbeelding heeft de ferrietkraal een vermogen van 100 ohm bij 100 MHz. Dit is de typische gemeten impedantie wanneer het onderdeel geen gelijkstroom heeft. Het is echter te zien dat zodra er gelijkstroom wordt aangelegd (bijvoorbeeld voor IC VCC ingang), daalt de effectieve impedantie scherp. In de bovenstaande curve verandert bij een stroom van 1,0 A de effectieve impedantie van 100 ohm naar 20 ohm. 100 MHz. Misschien niet al te kritisch, maar iets waar de ontwerpingenieur op moet letten. Op dezelfde manier, door alleen de elektrische karakteristieke gegevens te gebruiken van de component in het gegevensblad van de leverancier, zal de gebruiker zich niet bewust zijn van dit fenomeen van DC-bias.
Net als hoogfrequente RF-inductoren heeft de wikkelrichting van de binnenste spoel in de ferrietkraal een grote invloed op de frequentiekarakteristieken van de kraal. De wikkelrichting beïnvloedt niet alleen de relatie tussen impedantie en frequentieniveau, maar verandert ook de frequentierespons. In Figuur 9 worden twee ferrietkralen van 1000 ohm getoond met dezelfde behuizingsgrootte en hetzelfde materiaal, maar met twee verschillende wikkelconfiguraties.
De spoelen van het linkerdeel zijn in het verticale vlak gewikkeld en in horizontale richting gestapeld, wat een hogere impedantie en hogere frequentierespons oplevert dan het deel aan de rechterkant, in het horizontale vlak gewikkeld en in verticale richting gestapeld. Dit komt gedeeltelijk door aan de lagere capacitieve reactantie (XC) die verband houdt met de verminderde parasitaire capaciteit tussen de eindaansluiting en de interne spoel. Een lagere XC zal een hogere zelfresonantiefrequentie produceren en vervolgens toestaan ​​dat de impedantie van de ferrietkraal blijft toenemen totdat deze bereikt een hogere zelfresonantiefrequentie, die hoger is dan de standaardstructuur van de ferrietkralen. De impedantiewaarde. De curven van de bovengenoemde twee ferrietkralen van 1000 ohm worden weergegeven in figuur 10.
Om de effecten van de juiste en onjuiste selectie van ferrietkralen verder te laten zien, hebben we een eenvoudig testcircuit en testbord gebruikt om het grootste deel van de hierboven besproken inhoud te demonstreren. In Figuur 11 toont het testbord de posities van drie ferrietkralen en de testpunten gemarkeerd “A”, “B” en “C”, die zich op afstand van het zenderuitvoerapparaat (TX) bevinden.
De signaalintegriteit wordt gemeten aan de uitgangszijde van de ferrietkralen in elk van de drie posities, en wordt herhaald met twee ferrietkralen gemaakt van verschillende materialen. Het eerste materiaal, een laagfrequent verliesgevend “S”-materiaal, werd getest op punten “A”, “B” en “C”. Vervolgens werd een “D”-materiaal met een hogere frequentie gebruikt. De punt-tot-punt-resultaten met behulp van deze twee ferrietkralen worden weergegeven in Figuur 12.
Het “door” ongefilterde signaal wordt weergegeven in de middelste rij, waarbij respectievelijk enige over- en onderschrijding aan de stijgende en dalende randen wordt weergegeven. Het is duidelijk dat bij gebruik van het juiste materiaal voor de bovengenoemde testomstandigheden het verliesgevende materiaal met een lagere frequentie een goede overschrijding vertoont en onderschrijdingssignaalverbetering op de stijgende en dalende randen. Deze resultaten worden weergegeven in de bovenste rij van figuur 12. Het resultaat van het gebruik van hoogfrequente materialen kan rinkelen veroorzaken, waardoor elk niveau wordt versterkt en de periode van instabiliteit wordt verlengd. Deze testresultaten zijn weergegeven op de onderste rij.
Wanneer we kijken naar de verbetering van EMI met frequentie in het aanbevolen bovenste gedeelte (Afbeelding 12) in de horizontale scan weergegeven in Afbeelding 13, is te zien dat dit onderdeel voor alle frequenties de EMI-pieken aanzienlijk vermindert en het algehele geluidsniveau bij 30% vermindert. tot ongeveer In het 350 MHz-bereik ligt het aanvaardbare niveau ver onder de EMI-limiet, gemarkeerd door de rode lijn. Dit is de algemene regelgevende norm voor apparatuur van klasse B (FCC deel 15 in de Verenigde Staten). Het “S”-materiaal dat in ferrietkralen wordt gebruikt, wordt specifiek gebruikt voor deze lagere frequenties. Het is duidelijk dat zodra de frequentie de 350 MHz overschrijdt, de “S”-materiaal heeft een beperkte invloed op het oorspronkelijke, ongefilterde EMI-ruisniveau, maar vermindert wel een grote piek bij 750 MHz met ongeveer 6 dB. Als het grootste deel van het EMI-ruisprobleem hoger is dan 350 MHz, moet u overweeg het gebruik van ferrietmaterialen met een hogere frequentie waarvan de maximale impedantie hoger is in het spectrum.
Natuurlijk kan al het gerinkel (zoals weergegeven in de onderste curve van figuur 12) meestal worden vermeden door daadwerkelijke prestatietests en/of simulatiesoftware, maar we hopen dat dit artikel lezers in staat zal stellen veel voorkomende fouten te omzeilen en de noodzaak om selecteer de juiste ferrietkralentijd en zorg voor een meer “onderlegd” startpunt wanneer ferrietkralen nodig zijn om EMI-problemen op te lossen.
Ten slotte is het het beste om een ​​serie of series ferrietkralen goed te keuren, en niet slechts één enkel onderdeelnummer, voor meer keuzes en ontwerpflexibiliteit. Opgemerkt moet worden dat verschillende leveranciers verschillende materialen gebruiken en dat de frequentieprestaties van elke leverancier moeten worden beoordeeld , vooral als er meerdere aankopen worden gedaan voor hetzelfde project. Het is een beetje gemakkelijk om dit de eerste keer te doen, maar zodra de onderdelen onder een controlenummer in de componentendatabase zijn ingevoerd, kunnen ze overal worden gebruikt. Het belangrijkste is dat de frequentieprestaties van onderdelen van verschillende leveranciers zeer vergelijkbaar zijn om de mogelijkheid van andere toepassingen in de toekomst te elimineren. Het probleem deed zich voor. De beste manier is om vergelijkbare gegevens van verschillende leveranciers te verkrijgen, en op zijn minst een impedantiecurve te hebben. Dit zorgt er ook voor dat de juiste ferrietkralen worden gebruikt om uw EMI-probleem op te lossen.
Chris Burket werkt sinds 1995 bij TDK en is nu senior applicatie-ingenieur, die een groot aantal passieve componenten ondersteunt. Hij is betrokken geweest bij productontwerp, technische verkoop en marketing. Dhr. Burket heeft op veel forums technische artikelen geschreven en gepubliceerd. Burket heeft drie Amerikaanse patenten verkregen op optische/mechanische schakelaars en condensatoren.
In Compliance is de belangrijkste bron van nieuws, informatie, educatie en inspiratie voor professionals op het gebied van elektrotechniek en elektronica.
Lucht- en ruimtevaart Automobiel Communicatie Consumentenelektronica Onderwijs Energie en energie-industrie Informatietechnologie Medisch Leger en Nationale Defensie