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Una situazione comune: un ingegnere progettista inserisce un cordone di ferrite in un circuito che presenta problemi EMC, solo per scoprire che il cordone in realtà peggiora il rumore indesiderato. Come potrebbe essere? I cordoni di ferrite non dovrebbero eliminare l'energia del rumore senza peggiorare il problema?
La risposta a questa domanda è abbastanza semplice, ma potrebbe non essere ampiamente compresa, tranne che per coloro che dedicano la maggior parte del tempo a risolvere problemi EMI. In poche parole, le perline di ferrite non sono perline di ferrite, non sono perline di ferrite, ecc. La maggior parte dei produttori di perline di ferrite fornisce una tabella che elenca il codice prodotto, l'impedenza a una determinata frequenza (solitamente 100 MHz), la resistenza CC (DCR), la corrente nominale massima e alcune informazioni sulle dimensioni (vedere Tabella 1). Tutto è quasi standard. Ciò che non è mostrato nei dati il foglio contiene le informazioni sul materiale e le corrispondenti caratteristiche di prestazione della frequenza.
Le sfere di ferrite sono un dispositivo passivo in grado di rimuovere l'energia del rumore dal circuito sotto forma di calore. Le sfere magnetiche generano impedenza in un'ampia gamma di frequenze, eliminando così tutta o parte dell'energia del rumore indesiderata in questa gamma di frequenze. Per applicazioni con tensione CC ( come la linea Vcc di un circuito integrato), è auspicabile avere un valore basso di resistenza CC per evitare grandi perdite di potenza nel segnale richiesto e/o nella sorgente di tensione o corrente (I2 x perdita DCR). Tuttavia, è auspicabile avere alta impedenza in determinati intervalli di frequenza definiti. Pertanto, l'impedenza è correlata al materiale utilizzato (permeabilità), alla dimensione del cordone di ferrite, al numero di avvolgimenti e alla struttura dell'avvolgimento. Ovviamente, in una data dimensione dell'alloggiamento e materiale specifico utilizzato , maggiore è il numero di avvolgimenti, maggiore è l'impedenza, ma poiché la lunghezza fisica della bobina interna è maggiore, ciò produrrà anche una maggiore resistenza CC. La corrente nominale di questo componente è inversamente proporzionale alla sua resistenza CC.
Uno degli aspetti fondamentali dell'utilizzo delle sfere di ferrite nelle applicazioni EMI è che il componente deve essere in fase di resistenza. Cosa significa? In poche parole, ciò significa che "R" (resistenza CA) deve essere maggiore di "XL" (resistenza induttiva reattanza). Alle frequenze in cui XL> R (frequenza inferiore), il componente è più simile a un induttore che a un resistore. Alla frequenza R> XL, la parte si comporta come un resistore, che è una caratteristica richiesta delle sfere di ferrite. la frequenza alla quale “R” diventa maggiore di “XL” è chiamata frequenza “crossover”. Questa è mostrata nella Figura 1, dove la frequenza crossover in questo esempio è 30 MHz ed è contrassegnata da una freccia rossa.
Un altro modo di vedere questo è in termini di ciò che il componente effettivamente esegue durante le sue fasi di induttanza e resistenza. Come con altre applicazioni in cui l'impedenza dell'induttore non è adattata, parte del segnale in ingresso viene riflesso alla sorgente. Ciò può fornisce una certa protezione per l'apparecchiatura sensibile sull'altro lato della sfera di ferrite, ma introduce anche una "L" nel circuito, che può causare risonanza e oscillazione (suono). Pertanto, quando le sfere magnetiche sono ancora di natura induttiva, parte dell'energia sonora verrà riflessa e parte dell'energia sonora passerà, a seconda dei valori di induttanza e impedenza.
Quando il cordone di ferrite è nella sua fase resistiva, il componente si comporta come un resistore, quindi blocca l'energia del rumore e assorbe quell'energia dal circuito e la assorbe sotto forma di calore. Sebbene costruito allo stesso modo di alcuni induttori, utilizzando lo stesso processo, linea di produzione e tecnologia, macchinari e alcuni degli stessi materiali componenti, le sfere di ferrite utilizzano materiali di ferrite con perdite, mentre gli induttori utilizzano materiale di ossigeno di ferro a bassa perdita. Ciò è mostrato nella curva nella Figura 2.
La figura mostra [μ''], che riflette il comportamento del materiale con perdite di ferrite.
Anche il fatto che l'impedenza sia data a 100 MHz fa parte del problema di selezione. In molti casi di EMI, l'impedenza a questa frequenza è irrilevante e fuorviante. Il valore di questo “punto” non indica se l'impedenza aumenta, diminuisce , diventa piatto e l'impedenza raggiunge il suo valore di picco a questa frequenza e se il materiale è ancora nella fase di induttanza o si è trasformato nella fase di resistenza. Infatti, molti fornitori di perline di ferrite utilizzano più materiali per la stessa perla di ferrite, oppure almeno come mostrato nella scheda tecnica. Vedere la Figura 3. Tutte e 5 le curve in questa figura si riferiscono a diverse sfere di ferrite da 120 ohm.
Quindi, ciò che l'utente deve ottenere è la curva di impedenza che mostra le caratteristiche di frequenza della sfera di ferrite. Un esempio di una tipica curva di impedenza è mostrato nella Figura 4.
La Figura 4 mostra un fatto molto importante. Questa parte è designata come una sfera di ferrite da 50 ohm con una frequenza di 100 MHz, ma la sua frequenza di crossover è di circa 500 MHz e raggiunge più di 300 ohm tra 1 e 2,5 GHz. Anche in questo caso, appena la visione della scheda tecnica non consentirà all'utente di saperlo e potrebbe essere fuorviante.
Come mostrato nella figura, le proprietà dei materiali variano. Esistono molte varianti di ferrite utilizzate per realizzare sfere di ferrite. Alcuni materiali sono ad alta perdita, a banda larga, ad alta frequenza, a bassa perdita di inserzione e così via. La Figura 5 mostra il raggruppamento generale per frequenza e impedenza di applicazione.
Un altro problema comune è che i progettisti di circuiti stampati sono talvolta limitati alla selezione delle sfere di ferrite nel database dei componenti approvati. Se l'azienda dispone solo di poche sfere di ferrite approvate per l'uso in altri prodotti e ritenute soddisfacenti, in molti casi, non è necessario valutare e approvare altri materiali e codici. Nel recente passato, ciò ha ripetutamente portato ad alcuni effetti aggravanti del problema originale del rumore EMI descritto sopra. Il metodo precedentemente efficace potrebbe essere applicabile al prossimo progetto, oppure potrebbe non essere efficace. Non è possibile seguire semplicemente la soluzione EMI del progetto precedente, soprattutto quando cambia la frequenza del segnale richiesto o cambia la frequenza di potenziali componenti radianti come le apparecchiature dell'orologio.
Se osservate le due curve di impedenza nella Figura 6, potete confrontare gli effetti materiali di due parti designate simili.
Per questi due componenti l'impedenza a 100 MHz è di 120 ohm. Per la parte di sinistra, utilizzando il materiale “B”, l'impedenza massima è di circa 150 ohm, e si realizza a 400 MHz. Per la parte di destra , utilizzando il materiale "D", l'impedenza massima è di 700 ohm, che si ottiene a circa 700 MHz. Ma la differenza più grande è la frequenza di crossover. Il materiale "B" ad altissima perdita passa a 6 MHz (R> XL) , mentre il materiale “D” ad altissima frequenza rimane induttivo a circa 400 MHz. Quale parte è quella corretta da utilizzare? Dipende da ogni singola applicazione.
La Figura 7 mostra tutti i problemi comuni che si verificano quando vengono selezionate le sfere di ferrite errate per sopprimere le EMI. Il segnale non filtrato mostra una sottoelongazione di 474,5 mV su un impulso da 3,5 V, 1 uS.
Nel risultato dell'utilizzo di un materiale ad alta perdita (grafico centrale), la sottoelongazione della misurazione aumenta a causa della maggiore frequenza di crossover della parte. La sottoelongazione del segnale è aumentata da 474,5 mV a 749,8 mV. Il materiale ad altissima perdita ha un bassa frequenza di crossover e buone prestazioni.Sarà il materiale giusto da utilizzare in questa applicazione (immagine a destra). La sottoelongazione utilizzando questa parte è ridotta a 156,3 mV.
Man mano che la corrente continua attraverso le sfere aumenta, il materiale del nucleo inizia a saturarsi. Per gli induttori, questa è chiamata corrente di saturazione ed è specificata come diminuzione percentuale del valore di induttanza. Per le sfere di ferrite, quando la parte è nella fase di resistenza, il L'effetto della saturazione si riflette nella diminuzione del valore di impedenza con la frequenza. Questo calo di impedenza riduce l'efficacia delle sfere di ferrite e la loro capacità di eliminare il rumore EMI (CA). La Figura 8 mostra una serie di curve di polarizzazione CC tipiche per le sfere di ferrite.
In questa figura, il cordone di ferrite ha una resistenza nominale di 100 ohm a 100 MHz. Questa è l'impedenza misurata tipica quando la parte non ha corrente CC. Tuttavia, si può vedere che una volta applicata una corrente CC (ad esempio, per IC VCC ingresso), l'impedenza effettiva diminuisce bruscamente.Nella curva sopra, per una corrente di 1,0 A, l'impedenza effettiva cambia da 100 ohm a 20 ohm.100 MHz. Forse non troppo critico, ma qualcosa a cui il progettista deve prestare attenzione. Allo stesso modo, utilizzando solo i dati caratteristici elettrici del componente nella scheda tecnica del fornitore, l'utente non sarà a conoscenza di questo fenomeno di polarizzazione DC.
Come gli induttori RF ad alta frequenza, la direzione di avvolgimento della bobina interna nella perla di ferrite ha una grande influenza sulle caratteristiche di frequenza della perla. La direzione di avvolgimento non influenza solo la relazione tra impedenza e livello di frequenza, ma modifica anche la risposta in frequenza. Nella Figura 9, sono mostrate due sfere di ferrite da 1000 ohm con la stessa dimensione dell'alloggiamento e lo stesso materiale, ma con due diverse configurazioni di avvolgimento.
Le bobine della parte sinistra sono avvolte sul piano verticale e impilate nella direzione orizzontale, il che produce un'impedenza più elevata e una risposta in frequenza più elevata rispetto alla parte sul lato destro avvolta sul piano orizzontale e impilate nella direzione verticale. Ciò è in parte dovuto alla reattanza capacitiva inferiore (XC) associata alla ridotta capacità parassita tra il terminale terminale e la bobina interna. Una XC inferiore produrrà una frequenza di autorisonanza più elevata e quindi consentirà all'impedenza del cordone di ferrite di continuare ad aumentare fino a quando non sarà raggiunge una frequenza di auto-risonanza più elevata, che è superiore alla struttura standard della perla di ferrite. Il valore dell'impedenza. Le curve delle due perle di ferrite da 1000 ohm sopra sono mostrate nella Figura 10.
Per mostrare ulteriormente gli effetti della selezione corretta ed errata delle sfere di ferrite, abbiamo utilizzato un semplice circuito di test e una scheda di test per dimostrare la maggior parte dei contenuti discussi sopra. Nella Figura 11, la scheda di test mostra le posizioni di tre sfere di ferrite e i punti di test contrassegnati “A”, “B” e “C”, che si trovano alla distanza dal dispositivo di uscita del trasmettitore (TX).
L'integrità del segnale viene misurata sul lato di uscita delle sfere di ferrite in ciascuna delle tre posizioni e viene ripetuta con due sfere di ferrite di materiali diversi. Il primo materiale, un materiale "S" con perdita di bassa frequenza, è stato testato in punti "A", "B" e "C". Successivamente è stato utilizzato un materiale "D" a frequenza più elevata. I risultati punto a punto utilizzando queste due sfere di ferrite sono mostrati nella Figura 12.
Il segnale "passante" non filtrato viene visualizzato nella riga centrale, mostrando un certo superamento e sottoelongazione rispettivamente sui fronti di salita e di discesa. Si può vedere che utilizzando il materiale corretto per le condizioni di test di cui sopra, il materiale con perdita di frequenza inferiore mostra un buon superamento e miglioramento del segnale di sottoelongazione sui fronti di salita e di discesa. Questi risultati sono mostrati nella riga superiore della Figura 12. Il risultato dell'utilizzo di materiali ad alta frequenza può causare squilli, che amplificano ogni livello e aumentano il periodo di instabilità. Questi risultati di test sono mostrato nella riga inferiore.
Osservando il miglioramento delle EMI con la frequenza nella parte superiore consigliata (Figura 12) nella scansione orizzontale mostrata nella Figura 13, si può vedere che per tutte le frequenze, questa parte riduce significativamente i picchi EMI e riduce il livello di rumore complessivo a 30 a circa Nella gamma dei 350 MHz, il livello accettabile è molto al di sotto del limite EMI evidenziato dalla linea rossa.Questo è lo standard normativo generale per le apparecchiature di Classe B (FCC Parte 15 negli Stati Uniti). Il materiale "S" utilizzato nelle sfere di ferrite è utilizzato specificamente per queste frequenze più basse. Si può vedere che una volta che la frequenza supera i 350 MHz, il Il materiale "S" ha un impatto limitato sul livello di rumore EMI originale e non filtrato, ma riduce un picco importante a 750 MHz di circa 6 dB. Se la parte principale del problema del rumore EMI è superiore a 350 MHz, è necessario considerare l'uso di materiali in ferrite a frequenza più alta la cui impedenza massima è più alta nello spettro.
Naturalmente, tutti gli squilli (come mostrato nella curva inferiore della Figura 12) possono solitamente essere evitati mediante test delle prestazioni effettivi e/o software di simulazione, ma si spera che questo articolo consenta ai lettori di ignorare molti errori comuni e ridurre la necessità di selezionare il tempo corretto del cordone di ferrite e fornire un punto di partenza più "istruito" quando sono necessari i cordoni di ferrite per aiutare a risolvere i problemi EMI.
Infine, è meglio approvare una o più serie di sfere di ferrite, non solo un singolo codice, per avere più scelte e flessibilità di progettazione. Va notato che fornitori diversi utilizzano materiali diversi e le prestazioni di frequenza di ciascun fornitore devono essere riviste , soprattutto quando vengono effettuati più acquisti per lo stesso progetto. È un po' facile farlo la prima volta, ma una volta che le parti sono inserite nel database dei componenti con un numero di controllo, possono essere utilizzate ovunque.L'importante è che le prestazioni in frequenza di parti di diversi fornitori siano molto simili per eliminare la possibilità di altre applicazioni in futuro. Il problema si è verificato. Il modo migliore è ottenere dati simili da diversi fornitori e almeno avere una curva di impedenza. Ciò garantirà inoltre che vengano utilizzate le sfere di ferrite corrette per risolvere il problema EMI.
Chris Burket lavora presso TDK dal 1995 ed è ora un ingegnere applicativo senior, che supporta un gran numero di componenti passivi. È stato coinvolto nella progettazione del prodotto, nelle vendite tecniche e nel marketing.Burket ha scritto e pubblicato articoli tecnici in molti forum.Mr.Burket ha ottenuto tre brevetti statunitensi su interruttori e condensatori ottici/meccanici.
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