Чистое питание для каждой микросхемы, часть 3: понятие ферритовых бусин
Добавлено 15 октября 2018 в 23:23
Ферритовые бусины, используемые в сочетании с блокировочными конденсаторами, могут обеспечить улучшенную фильтрацию и развязку питания.
Если емкости недостаточно
Предыдущую статью мы закончили сокращенным набором рекомендаций для правильного проектирования и разводки цепи блокировки источников питания, которая будет хранить достаточный заряд для продолжительных отклонений электропитания и иметь низкий импеданс для преобладающих частот шума. Вы можете быть уверены, что этот подход будет более чем достаточным для большинства проектов.
Тем не менее, успех подхода, основанного только на конденсаторах, не означает, что нет возможности для улучшения, и именно здесь вступает в игру менее известный компонент развязки. Если вы чувствуете, что какие-то микросхемы вашей схемы особенно чувствительны к шуму (и поэтому нуждаются в дополнительной фильтрации) или особенно шумят (и поэтому нуждаются в дополнительной развязке от шины питания), вам следует рассмотреть чудесный мир ферритовых бусин.
Что в бусине?
Простейшей формой ферритовой бусины является проводящий провод, вставленный через полый кусок керамического материала, известного как феррит.
Ферритовая бусинаЭлектромагнитные свойства феррита позволяют материалу влиять на ток, протекающий через проводник. Точная природа этого влияния частично зависит от типа феррита (например, марганец-цинк или никель-цинк), а свойства конкретного ферритового материала могут быть дополнительно уточнены в процессе производства. Во многих ферритовых бусинах поверхностного монтажа проводник оформляется в виде катушке, причем отдельные витки накладываются между ферритовыми листами. Таким образом, электрические характеристики также зависят от деталей конструкции намотки.
Ферритовые бусины можно разделить на две общие категории: бусины с высокой добротностью (Q) (или резонансные) и бусины с низкой добротностью (Q) (или нерезонансные). Бусины с высокой добротностью предназначены для приложений, требующих высокого уровня резонанса, таких как генераторы и специализированные фильтры.
Однако в контексте фильтрации питания нам необходимо свести резонанс к минимуму (как обсуждается в данной статье далее), поэтому бусины с высокой добротностью отбрасываем. В оставшейся части статьи любое упоминание ферритовых бусин относится к бусинам с низкой добротностью.
Это не индуктивность, не конденсатор, не резистор…
В нашей попытке разобраться с ферритовыми бусинами мы можем начать с рассмотрения эквивалентной схемы первого порядка, а затем перевести эту эквивалентную схему в общий график зависимости импеданса от частоты.
Эквивалентная схема ферритовой бусиныИндуктивность помещается в центр в качестве напоминания о том, что преобладающая реакция ферритовой бусины является индуктивной, т.е. по мере увеличения частоты увеличивается и импеданс. Однако в какой-то момент (обычно где-то между 30 и 500 МГц) параллельная емкость начинает доминировать над индуктивностью, и при увеличении частоты импеданс уменьшается. Относительно небольшое параллельное сопротивление (скажем, порядка 100 Ом) уменьшает резонанс, связанный с конденсатором и индуктивностью, поэтому импеданс выравнивается в точке перехода, а не достигает всплеска как при высокой добротности.
Это поведение отчетливо видно на следующем графике, показывающем измеренные характеристики импеданса стандартной ферритовой бусины SMD производства Wurth Electronics.
Черная линия показывает общий импеданс, который (хотя это и не показано на графике) начинается с Rпосл, иначе называемого сопротивлением бусины по постоянному току. Затем он линейно увеличивается на продолжении индуктивного частотного диапазона, выравнивается на 300 МГц, а затем уменьшается до выравнивания на 1,1 ГГц.
Красные и синие пунктирные линии показывают, что общий импеданс является результатом двух отдельных элементов, а именно реактивного сопротивления индуктивности (XL) и частотно-зависимого активного сопротивления (R). Это поднимает важный момент: эквивалентная схема, приведенная выше, разработана для моделирования частотного поведения бусины – она не передает внутреннюю структуру бусины. Эквивалентная модель полезна для понимания того, как импеданс ферритовой бусины изменяется с частотой, и для моделирования, но в первую очередь свойства импеданса компонента определяет сам ферритовый материал.
Это важно понимать, потому что эквивалентная схема может отвлечь вас от одной из определяющих характеристик ферритовых бусин: фактически они рассеивают высокочастотную энергию.
Вошел шум, вышло тепло
Напомним, что идеальные индуктивности и конденсаторы не рассеивают никакой энергии; они просто хранят энергию, либо в магнитном поле (индуктивности), либо в электрическом поле (конденсаторы). Резистор, с другой стороны, выводит энергию из схемы и рассеивает ее как тепло. Ферритовые бусины, в отличие от индуктивностей, преднамеренно резистивны на высоких частотах. Вот почему приведенный выше график имеет красную пунктирную линию с надписью «R» – от 100 МГц до 1 ГГЦ бусина демонстрирует значительный активный, а не реактивный импеданс. Фактически некоторые ферритовые бусины и катушки индуктивности с ферритовыми сердечниками практически идентичны по конструкции, за исключением того, что ферритовая бусина использует ферритовый материал с большими «потерями», потому что производитель хочет, чтобы бусина рассеивала, а не хранила высокочастотную энергию.
Но зачем вдаваться в эти ненужные подробности? Мы обратили на них внимание по двум причинам. Во-первых, вы не можете по-настоящему разобраться с ферритовыми бусинами, пока не уделите должное внимание этому фундаментальному различию между катушкой индуктивности и бусиной. Во-вторых, эта характеристика «потерь» делает ферритовую бусину особенно подходящей для подавления шума. Почему? Катушка индуктивности может привести к резонансу и звону, когда энергия высокочастотного шума, накопленная в индуктивности, взаимодействует с емкостью в другой части схемы. Как мы видели в предыдущих статьях, звон может стать серьезной проблемой даже тогда, когда мы имеем дело только с паразитной индуктивностью. Мы не хотим усугублять ситуацию с резонансом/звоном, и поэтому выбираем ферритовые бусины вместо катушек индуктивности.
Выбирайте внимательно
Ключом к максимизации преимуществ подавления шума ферритовой бусиной является обеспечение того, чтобы целевые частоты шума попадали в резистивный диапазон бусины, то есть ту часть частотной характеристики, где активный импеданс доминирует над реактивным.
Это означает, что вы не можете просто взглянуть на основные спецификации, указанные в каталоге или техническом описании. Например, предположим, что вы ожидаете максимум шума на 100 МГц из-за тактового сигнала микропроцессора. Описание из каталога для компонента Wurth, рассмотренного выше, следующее:
И среди спецификаций вы увидите следующее:
Спецификация импеданса ферритовой бусины (пример 1)На основе этой информации вы можете предположить, что резистивный диапазон бусины включает в себя 100 МГц. В этом случае вы будете правы – как показано на графике частотной характеристики, эта конкретная бусина входит в резистивное состояние примерно на 80 МГц.
Резистивный частотный диапазон ферритовой бусины (пример 1)Тем не менее, на частоте 100 МГц по-прежнему присутствует значительное индуктивное реактивное сопротивление, и очевидно, что бусина обеспечит максимальную эффективность при шумах на частотах около 300 МГц.
Теперь, допустим, вы подумали о компоненте с номером MMZ1608D121CTAH0 от TDK.
Описание и спецификация импеданса у него следующие:
Если вы снова предположите, что бусина на частоте 100 МГц преимущественно резистивна, то столкнетесь с небольшими проблемами:
Резистивный частотный диапазон ферритовой бусины (пример 2)График показывает, что 100 МГц всё еще далеко внутри индуктивного участка кривой импеданса бусины. Основываясь на точке, в которой кривая начинает выравниваться, резистивный диапазон начинается примерно на 500 МГц, и бусина не достигает своей оптимальной шумовой частоты до 700 МГц. Поэтому, если вы выберете эту бусину, то не только пониженный импеданс на целевой частоте шума, но и тип импеданса (а именно реактивный) могут сделать вашу схему более восприимчивой к звону или даже привести к сильным колебаниям на шине питания.
Резюме
В данной статье мы рассмотрели некоторые существенные физические и электрические характеристики ферритовых бусин и увидели, что эти компоненты могут быть особенно эффективными в улучшении качества питания, когда они используются для подавления шумовых частот, попадающих в их диапазон с доминирующим активным импедансом.
В следующей статье мы обсудим конкретные методы включения ферритовых бусин в цепи блокировки/обхода источников питания.
Оригинал статьи:
- Robert Keim. Clean Power for Every IC, Part 3: Understanding Ferrite Beads
Теги
РазвязкаФерритовая бусинаЦелостность сигналов и питанияШум системыНазад
Оглавление
Вперед
Выбор и использование ферритовых бусин для подавления звона в импульсных преобразователях
Введение
«Звон» — распространенный термин, обозначающий нежелательные колебания, которые происходят при коммутации ключа и наличии паразитных индуктивностей и емкостей. Паразитная емкость ключа, высвобождающая энергию при его переключении, образует звон с паразитными индуктивностями дискретных силовых дросселей, проводников печатной платы, выводов компонентов, разъемов и т. д. Поскольку у печатных плат всегда имеются паразитные элементы, все импульсные преобразователи генерируют, по крайней мере, незначительный звон.
Частоты этих электромагнитных помех (ЭМП), как правило, находятся в диапазоне 50–200 МГц. На этих частотах проводники печатных плат, а также входные и выходные выводы работают как антенны, приводя к появлению кондуктивных помех и излучаемого шума.
Большинство импульсных преобразователей работает на частотах до 5 МГц. Поскольку мощность высших гармонических составляющих, возникающих при коммутации, как правило, очень мала на частотах до 50 МГц и выше, на осциллограмме излучаемых ЭМП эти гармоники маскируются основной частотой и могут остаться незамеченными. Кроме того, если пульсации основной частоты относительно просто подавляются с помощью LC-фильтров, то с гармониками высших порядков дело обстоит иначе. На частотах 50–200 МГц многие дроссели фильтра ведут себя не как индуктивности, а как емкости, и практически перестают ослаблять сигналы. Схожим образом ведут себя и конденсаторы фильтра, импеданс которых в диапазоне 50–200 МГц приобретает индуктивный характер. В таких случаях более эффективным способом фильтрации является использование ферритовых бусин, поскольку у них очень малое сопротивление на низких частотах (как правило, меньше 10 МГц).
Однако у этих компонентов очень большие резистивные потери в диапазоне частот 10 МГц…1 ГГц, что зависит от их типа и конструкции. Как правило, ферриты применяются последовательно входным и выходным соединениям импульсных преобразователей, а также последовательно силовым ключам, как видно из рис. 1.
Рис. 1. Типовая схема синхронных понижающих преобразователей с использованием ферритовых бусин
Поскольку главным недостатком размещения ферритовых бусин на рис. 1 является прохождение через них больших токов, номинальные сопротивления этих устройств по постоянному току должны соответствовать требованиям к мощности рассеивания. Кроме того, необходимо также учитывать рассеиваемую мощность устройствами при преобразовании высокочастотного звона в тепло. Величину рассеиваемой мощности высокочастотных токов трудно рассчитать, т. к. амплитуда сигналов почти полностью зависит от паразитных элементов. На практике ферритовые бусины выбираются так, чтобы их номинальный ток в два раза превышал фактическое максимальное значение тока через эти элементы.
При небольшой мощности применяются недорогие устройства для поверхностного монтажа, но при высоких значениях мощности необходимо параллельно устанавливать большие ферриты, что приводит к удорожанию схемы и уменьшению свободного места на плате.
В статье рассматриваются ферритовые бусины типоразмеров 0603 и 0805, которые позволяют уменьшить скорость нарастания фронта в переходных процессах при коммутации MOSFET верхнего плеча в синхронном понижающем преобразователе, что, в свою очередь, позволяет уменьшить амплитуду и продолжительность звона. В частности, уменьшение скорости нарастания фронта импульсов обеспечивает превосходные результаты; при этом лишь незначительно возрастают потери на переключение. Эта задача решается путем тщательного выбора и настройки сопротивления, установленного в цепь затвора MOSFET или вывода с положительным напряжением питания для затвора в управляющей цепи. Однако ферритовая бусина того же размера, что и резистор, так же или даже лучше справляется с поставленной задачей.
Выбор бусины осуществляется с помощью ее технического описания, что намного сокращает время испытаний.
Установка бусины последовательно бутстрепной схеме
На рис. 2 показаны два возможных способа реализации элемента, ограничивающего скорость нарастания фронта импульсов: в цепь затвора MOSFET верхнего плеча или последовательно бутстрепной цепи. Второй способ предпочтительнее по трем основным причинам. Во‑первых, при его использовании ограничивается только скорость восходящего фронта, благодаря чему экономится расходуемая мощность, т. к. в каждом цикле замедляется только один переходный процесс (при его замедлении, как известно, увеличиваются потери на переключение). Во‑вторых, замедление скорости нарастания восходящего фронта управляющего MOSFET в синхронном понижающем преобразователе может стать причиной возникновения нежелательного сквозного тока между шинами питания, когда оба MOSFET одномоментно находятся во включенном состоянии. В‑третьих, если резистор затвора можно задействовать, только если MOSFET не встроен в преобразователь, то бутстрепный вывод доступен при использовании большинства понижающих регуляторов с собственными MOSFET, что повышает применимость этого метода для управляющих микросхем многих других типов.
Рис. 2. Резисторы на затворе уменьшают время нарастания и спада импульсов, тогда как резисторы RBOOT в бутстрепной цепи замедляют лишь нарастающий фронт
Выбор ферритовой бусины
Для рассматриваемого приложения предлагается демо-плата DC501A с синхронным понижающим контроллером LTC3703 Linear Technology. Упрощенная схема его использования показана на рис. 3а, а на рис. 3б — полная схема.
Рис. 3. а) В упрощенной схеме, используемой в демо-плате DC501, имеется элемент R2 для ограничения скорости нарастания фронта импульсов; б) полная схема
Измерение частоты звона
Рассмотрим схему преобразователя, в которой отсутствуют элементы, ограничивающие скорость нарастания фронта. Как видно из рисунка 3а, типовое значение входного напряжения этого преобразователя составляет 48 В, выходное — 12 В, а максимальный выходной ток — 6 А. Для захвата восходящего фронта сигнала коммутационного узла следует выбрать полную полосу пропускания осциллографа.
Воспользуемся пробником с пружинными наконечниками, который поставляется вместе с вольтметровыми щупами для осциллографов, чтобы минимизировать поступление излучаемых помех в контуре, образованном наконечником и гибким заземляющим проводом. Для испытаний было выбрано приспособление с секцией из трех выводов, находящихся на расстоянии 2,54 мм друг от друга, с центральным усеченным выводом (рис. 4). Вместо отсутствующего или утерянного пружинного наконечника можно с успехом задействовать кусок неизолированного провода длиной 0,5–0,75 мм, обвитого вокруг корпуса пробника.
Рис. 4. Корректное измерение напряжения с малым уровнем шума. Желтым кружком обозначен вывод с входным напряжением, розовым — вывод с выходным напряжением, бирюзовым — коммутационный узел
На рис. 5 масштаб отображения сигнала выбран так, чтобы можно было легко измерить частоту звона. В данном случае она равна 150 МГц.
Рис. 5. Результаты измерения схемы без элементов управления скоростью нарастающего фронта показали, что период звона равен 6,64 нс, что соответствует частоте 150 МГц
Расчет или измерение среднего бутстрепного тока
Средний бутстрепный ток силового MOSFET верхнего плеча рассчитывается следующим образом:
В рассматриваемом примере преобразователь работает на частоте 260 кГц, а величина максимального заряда на затворе равна 41 нКл.
Исходя из того, что длительность переднего фронта импульса при коммутации составляет 1% периода сигнала, для образования максимального заряда затвора 41 нКл средний ток во включенном состоянии MOSFET равен примерно 5,3 мА:
В сигнал бутстрепного тока также входят импульсные помехи, возникающие при переключении тока MOSFET величиной 1 А или больше. Поскольку их продолжительность не превышает 100 нс, а вклад в разогревание феррита минимальный, ими можно пренебречь.
Рис. 6. Звон схемы демо-платы DC501A в отсутствие схемы по управлению скоростью нарастания сигнала при: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; IOUT = 6 A. Кан. 1 = VIN связан. по перем. току, кан. 2 — коммут. узел, кан. 3 = VOUT AC
Выбор феррита с максимальным сопротивлением на частоте звона
Ферритовые бусины для поверхностного монтажа серии WE-CBF от компании Würth Elektronik выпускаются с типоразмерами 0402–1812, а благодаря серийному производству у серии 0603 очень привлекательная цена. (Заметим, что в серии WE-TMSB имеются миниатюрные ферритовые бусины.
) Несмотря на свои малые размеры, даже компоненты серии 0603 с максимальным сопротивлением при 150 МГц могут работать со средним током 50 мА и тем более с управляющим током 5 мА, как в рассматриваемом примере. На рис. 6–9 сравнивается работа исходной схемы без элемента управления скоростью нарастания фронта со стандартным резистором 16,2 Ом, с ферритовой бусиной 74279265 (типоразмер: 0603; ном. сопротивление: 600 Ом при 150 МГц), а затем с ферритовой бусиной 742792693 (типоразмер: 0603; ном. сопротивление: 2200 Ом при 100 МГц; на 150 МГц сопротивление равно примерно 1500 Ом).
Рис. 7. Звон схемы демо-платы DC501A при использовании толстопленочного резистора R2 величиной 16,2 Ом: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; IOUT = 6 A. Кан. 1 = VIN связан. по перем. току; кан. 2 — коммут. узел; кан. 3 = VOUT AC
Рис. 8. Звон схемы демо-платы DC501A при использовании 600-Ом феррита 74279265 типоразмера 0603: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; IOUT = 6 A. Кан. 1 = VIN связан.
по перем. току; кан. 2 — коммут. узел; кан. 3 = VOUT AC
Рис. 9. Звон схемы демо-платы DC501A при использовании 2200-Ом феррита 74279263 типоразмера 0603: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; IOUT = 6 A. Кан. 1 = VIN связан. по перем. току; кан. 2 — коммут. узел; кан. 3 = VOUT AC
Это устройство с максимальным сопротивлением на частоте звона позволяет наилучшим образом уменьшить не только амплитуду, но и продолжительность нежелательных колебаний (рис. 10), а его выбор не представляет особого труда и осуществляется с помощью соответствующих технических описаний.
Рис. 10. Сравнение напряжений коммутационного узла
На рис. 11 показаны типовые частотные характеристики реактивного сопротивления, активного сопротивления и импеданса ферритовых бусин 74279265 (600 Ом) и 742792693 (2200 Ом). На всякий случай напомним, что на количество тепла, образующегося за счет преобразования высокочастотного сигнала, влияет активное (омическое) сопротивление.
Рис.
11. Типовые частотные характеристики реактивного и активного сопротивлений, а также импеданса ферритовых бусин: а) 74279265 и б) 742792693
Потери мощности и ее рассеивание
При управлении крутизной сигнала достигается некий компромисс между уменьшением ЭМП и растущими потерями. Замедление скорости нарастания сигнала при переключении MOSFET может привести к перегреву этого ключа, снижению общей эффективности до неприемлемого уровня. В таблице 1 представлены значения входного тока и КПД рассматриваемой схемы без элемента управления крутизной сигнала, с подобранной величиной R2 = 16,2 Ом и с двумя ферритовыми бусинами.
Несмотря на то, что для повышения электромагнитной совместимости потребовалось немного уменьшить КПД, применение феррита с номинальным сопротивлением 2200 Ом имеет небольшое преимущество по эффективности ограничения скорости нарастания и уменьшения звона по сравнению с использованием резистора.
Рис. 12. Осциллограмма излучаемых ЭМП демо-платы DC501A без элемента управления крутизной сигнала: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; нагрузка = 2 Ом
Анализ излучаемых помех
В этом разделе рассматривается соответствие излучаемых электромагнитных помех демо-платы DC501A стандарту EN55022 по ЭМС для ИТ-оборудования.
На рис. 12–15 представлены частотные развертки излучаемых ЭМП демо-платы DC501A для рассматриваемых четырех случаев: без ограничивающего элемента, с ограничивающим элементом R2, а также с использованием двух ферритовых бусин с разными сопротивлениями. На рис. 16 сравниваются все указанные развертки, а в таблице 2 приводятся уровни излучаемых ЭМП в диапазоне 150 МГц в зависимости от используемых ограничивающих элементов.
Рис. 13. Частотная развертка излучаемых ЭМП демо-платы DC501A с R2 = 16,2 Ом: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; нагрузка = 2 Ом
Рис. 14. Частотная развертка излучаемых ЭМП демо-платы DC501A с R2 = 600 Ом и ферритом 0603: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; нагрузка = 2 Ом
Рис. 15. Частотная развертка излучаемых ЭМП демо-платы DC501A с R2 = 2200 Ом и ферритом 0603: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; нагрузка = 2 Ом
Рис. 16. Сравнение разверток излучаемых ЭМП при использовании платы DC501A
В своей совокупности, развертки излучаемых ЭМП подтверждают данные, взятые из частотной области: правильно подобранный резистор, установленный последовательно положительному выводу питания бутстрепной схемы, уменьшает квазипиковые и усредненные уровни излучаемых помех примерно на 10 дБмкВ, а ферритовая бусина с максимальным сопротивлением на основной частоте шума работает не хуже, а часто и лучше этого резистора.
Управление включением и выключением в драйверах затвора в нижнем плече
Управление скоростью нарастания фронтов импульсов осуществляется и с помощью выводов затвора других импульсных преобразователей. При этом необходимо учитывать положение ограничивающего элемента относительно затворов MOSFET и IGBT. К другим топологиям с ключами в верхнем плече относятся однотактный прямоходовой полумостовой и мостовой преобразователи. При их использовании необходимо устанавливать элемент управления затвором последовательно выводу положительного питания драйвера затвора с плавающей землей. Однако в каждой из этих топологий применяется также, по крайней мере, один ключ нижнего плеча, а в повышающих, обратноходовых, прямоходовых и пушпульных преобразователях используются только ключи нижнего плеча. Как правило, нарастающий фронт сигналов требует управления, а продолжительность спадающего фронта должна быть как можно меньше. Относительно малое количество управляющих ИС оснащено специализированным выводом для управления положительным выводом источника питания их драйверов ключей нижнего уровня, тогда как в большинстве случаев наилучшим решением является установка небольшого диода Шоттки параллельно элементу управления крутизной импульсов.
При этом оба подключаются к затвору, как видно из рис. 17.
Рис. 17. Антипараллельный диод Шоттки обеспечивает управление включением, не оказывая влияния на выключение в цепях управления затвором ключей в нижнем плече
Выводы
Ферритовые бусины, установленные последовательно бутстрепному выводу понижающего преобразователя, представляют собой эффективные компоненты по ограничению звона. Эти бусины ослабляют высокочастотный шум, не занимая большого места на печатных платах и не ухудшая эффективность решения. Их преимущества над резисторами заключаются в простоте выбора и малом времени тестирования. Несколько более высокая стоимость феррита 0603 по сравнению с толстопленочным резистором того же типоразмера компенсируется использованием более компактных, легких и недорогих фильтров на входах и выходах импульсных преобразователей. Снабберным схемам, установленным последовательно или параллельно коммутационным элементам, не приходится рассеивать достаточно большую мощность, что позволяет повысить эффективность, уменьшить рабочую температуру, стоимость решения и место, занимаемое на печатной плате.
Как работают ферритовые бусины и как выбрать правильный? | Блог о дизайне печатных плат
Иногда мне хочется увидеть электромагнитные волны. Это значительно упростило бы обнаружение электромагнитных помех. Вместо того, чтобы возиться со сложными настройками и анализаторами сигналов, я мог просто посмотреть и понять, из-за чего вся эта суета. Хотя мы можем не видеть электромагнитные помехи, иногда мы можем их слышать, когда они проходят через звуковые цепи. Одним из возможных способов устранения такого рода помех является ферритовая шайба.
К сожалению, ферритовые шарики (также называемые ферритовым дросселем, ферритовым зажимом, ферритовым кольцом, шариком фильтра электромагнитных помех или даже ферритовым кольцевым фильтром) могут быть загадкой. Функция ферритового сердечника напоминает индуктор, но частотная характеристика ферритового сердечника отличается от этой функции на высоких частотах. Кроме того, различные типы бусинок, такие как ферритовые бусины с проволочной обмоткой и ферритовые бусины с чипами, по-разному реагируют на шумоподавление.
Например, ферритовые бусины с проволочной обмоткой работают в широком диапазоне частот, но имеют меньшее сопротивление в установках постоянного тока. Чтобы правильно их использовать, вам необходимо понимать их электромагнитные характеристики и то, как они меняются во время использования. После того, как вы ознакомитесь с теорией использования ферритовых бусинок, вы можете осознанно выбрать один из них для своей печатной платы. Если вы этого не сделаете, вы можете создать больше проблем, чем исправить.
На этом изображении показано, почему ферритовый шарик иногда называют ферритовым кольцом или ферритовым дросселем
Ферритовые бусины — это пассивные электронные компоненты, которые могут подавлять высокочастотные сигналы в линии электропитания. Обычно они располагаются вокруг пары линий питания/земли, которая идет к определенному устройству, например шнуру питания вашего ноутбука. Эти шарики работают в соответствии с законом Фарадея: магнитный сердечник вокруг проводника индуцирует противо-ЭДС в присутствии высокочастотного сигнала, существенно ослабляя частотную характеристику феррита.
Стандартные ферритовые кольца можно приобрести у специализированных производителей, таких как Coilcraft, хотя для некоторых проектов могут потребоваться специальные кольца.
Ферриты представляют собой магнитные материалы, и размещение этого материала в ферритовом зажиме вокруг линии питания/заземления позволяет обеспечить источник индуктивного импеданса для сигналов, проходящих по линии. Это может заставить вас думать о них как о стандартной катушке индуктивности, но они более сложны. В действительности ферритовая шайба является нелинейным компонентом; полное сопротивление, которое он обеспечивает, было изменением тока нагрузки и падения напряжения на феррите. Упрощенная модель схемы ферритовой бусины поможет вам понять ее частотные характеристики. Однако имейте в виду, что эти атрибуты могут меняться в зависимости от тока и температуры.
Ток нагрузки может изменить импеданс вашего феррита.
Для чего используются ферритовые бусины?
Поскольку импеданс ферритовых колец является индуктивным, ферритовые катушки индуктивности используются для ослабления высокочастотных сигналов в электронных компонентах.
Когда дроссель с ферритовыми шариками размещается на линии питания, соединяющей электронное устройство, он устраняет любые паразитные высокочастотные помехи, присутствующие в силовом соединении или выходном сигнале от источника питания постоянного тока. Использование этого ферритового зажима является одним из многих подходов к подавлению шума, например, от импульсного источника питания. Такое применение ферритовых шариков в качестве ферритового фильтра обеспечивает подавление и устранение кондуктивных электромагнитных помех.
Среди различных применений ферритовых шариков в качестве фильтров, шарик фильтра электромагнитных помех/фильтр источника питания обычно рассчитан на определенное пороговое значение постоянного тока. Токи, превышающие указанное значение, могут повредить компонент. Проблема в том, что на этот предел резко влияет тепло. При повышении температуры номинальный ток быстро уменьшается. Номинальный ток также влияет на импеданс феррита. По мере увеличения постоянного тока ферритовая бусина «насыщается» и теряет индуктивность.
При относительно высоких токах насыщение может снизить импеданс ферритового кольца до 90%.
Ферритовая шайба и индуктор
Хотя ферритовая шайба может быть смоделирована как индуктор, ферритовая бусина индуктора не ведет себя как типичная катушка индуктивности. Если вам интересно, как измерить поведение ферритовой бусины по сравнению с поведением индуктора, вы должны отправить аналоговый сигнал через бусину и развернуть частоту на несколько порядков. Если вы создадите график Боде для измерений с разверткой по частоте для ферритового кольца, вы обнаружите, что ферритовое кольцо обеспечивает более крутой спад на более высоких частотах по сравнению с катушкой индуктивности с аналогичным поведением на низких частотах.
Простая, но точная модель ферритовой бусины, подключенной к источнику переменного тока.
Ферритовая бусина может быть смоделирована как конденсаторы и катушки индуктивности, а также как резистор, подключенный параллельно этой сети RLC с последовательным резистором.
Последовательный резистор количественно определяет сопротивление устройства постоянному току. Катушка индуктивности в этой модели представляет собой ферритовые бусины, основная функция которых заключается в ослаблении высокочастотных сигналов, т. е. обеспечении индуктивного импеданса в соответствии с законом Фарадея. Параллельный резистор в этой модели учитывает потери на вихревые токи, которые индуцируются внутри ферритового кольца на высоких частотах. Наконец, конденсатор в этой модели отвечает за естественную паразитную емкость компонента.
Если посмотреть на кривую импеданса ферритовой бусины, видно, что в первую очередь резистивный импеданс чрезвычайно высок только в тонкой полосе. Внутри этой тонкой полосы преобладает индуктивность шарика. На более высоких частотах импеданс ферритовой шайбы начинает казаться емкостным, и импеданс быстро уменьшается. В конце концов, по мере увеличения частоты емкостное сопротивление упадет до очень малого значения, и сопротивление ферритовой шайбы станет чисто резистивным.
Ферритовый сердечник в ферритовой шайбе выполняет ту же функцию, что и ферритовый сердечник в трансформаторе.
Теперь, когда вы разобрались с теорией ферритов, пришло время выбрать ее для своего устройства. Это не очень сложно, и если вы хотите знать, как выбрать ферритовую бусину для проекта, вам просто нужно обратить внимание на характеристики бусины. Вам может быть интересно, нужны ли ферритовые бусины для моей конструкции? Как и многие инженерные решения, ответ не так прост. Если вы знаете, что ваша плата будет испытывать кондуктивные электромагнитные помехи в определенном диапазоне частот, и вам необходимо ослабить эти частоты, то ферритовая шайба может быть правильным выбором для вашей конструкции.
Основываясь на индуктивном поведении ферритовых бусинок, естественно заключить, что ферритовые бусины «ослабляют высокие частоты» без особого рассмотрения. Однако ферритовые бусины не действуют как широкополосный фильтр нижних частот, поскольку они могут только помочь ослабить определенный диапазон частот.
Вы должны выбрать ферритовую бусину и дроссель там, где нежелательные частоты находятся в его резистивной полосе. Если вы пойдете слишком низко или слишком высоко, шарик не будет иметь желаемого эффекта.
Прежде чем выбрать конкретную ферритовую бусину для своей конструкции, вы должны узнать, может ли производитель предоставить вам кривые зависимости импеданса от тока нагрузки для ферритовой бусины. Безусловно, это лучший инструмент, который вы можете использовать, если не знаете, как выбрать ферритовую бусину. Если ваши токи нагрузки очень велики, вам нужно выбрать ферритовую бусину, которая может выдержать их без насыщения и потери импеданса в желаемом диапазоне частот.
Ферритовые кольца и ферритовые дроссели, по существу, являются резистивными нагрузками на высоких частотах, что означает, что они могут вызвать некоторые проблемы в вашей схеме. При размещении шарика вам нужно подумать о падении напряжения и рассеивании тепла.
Во времена высоковольтных цепей падение напряжения не имело большого значения.
Теперь у нас есть много маломощных схем, которые могут использовать напряжение около 2 В. При таких уровнях вы не можете позволить себе много потерять. Ферритовые шарики вызывают падение постоянного напряжения в вашей цепи. Это может показаться не таким уж большим, но если ваши интегральные схемы (ИС) имеют кратковременное состояние потребления большого тока, потери могут стать значительными. Разместите ферритовые кольца там, где они не вызовут проблем с падением напряжения.
Поскольку материалы с ферритовым сердечником обладают сопротивлением на высоких частотах, они в основном рассеивают поглощенную энергию в виде тепла. Это тепло не обязательно является проблемой для вашей печатной платы, когда ферритовый дроссель используется на линии питания, но может стать проблемой, когда он используется для рассеивания высоких частот при большом токе. Если ваша система особенно шумная, и шарик будет поглощать много высоких частот, это тепло может стать более серьезной проблемой.
Обязательно учитывайте тепловыделение шарика.
Сопротивление ферритового шарика зависит от температуры.
Ферритовые бусины могут быть весьма полезными, но только если вы точно понимаете, как они работают. Помните, что они ослабляют сигналы в довольно узком диапазоне, а их эффективность зависит от температуры и тока нагрузки. Чтобы наилучшим образом использовать ферритовую бусину, вы должны убедиться, что она точно соответствует вашим спецификациям. Затем при размещении шарика обязательно учитывайте падение напряжения и нагрев.
Мы часто обсуждаем важность и функцию ферритовых колец. Если вам нужна дополнительная информация о ферритовых шариках или ферритовых сердечниках, ознакомьтесь со статьей «Все, что вам нужно знать о ферритовых шариках» от отраслевого эксперта Келлы Нэк.
Работа с такими вещами, как ферритовые шарики, может быть сложной, но проектирование печатной платы не обязательно должно быть таким.
Altium Designer ® — это современное программное обеспечение для проектирования печатных плат с инструментами, которые помогут вам создать оптимальную плату. У него даже есть надстройки, такие как сеть подачи питания, которые могут помочь вам справиться с такими проблемами, как падение напряжения и рассеивание тепла.
Есть еще вопросы о ферритовых кольцах или ферритовых сердечниках? Позвоните специалисту Altium.
Как работают ферритовые шарики? Ключевые факторы для рассмотрения | Блог Advanced PCB Design
Большинство детей школьного возраста читали о таких исследователях, как Льюис и Кларк из Америки, которые торговали безделушками с коренными американцами в обмен на еду и безопасный проход. Отмечается, что многие из этих безделушек включали стеклянные бусины. Я был свидетелем того, как ученик за учеником задавался вопросом: «Что кому-то нужно со стеклянными бусинами?»
Хотя я не могу ответить, зачем нужны стеклянные бусины, я знаю, что сталкивался с очень похожим вопросом, связанным с ферритовыми бусами в производстве и электронике.
Хотя я сторонник того, что ферритовые бусины действительно ценны, многие могут вернуться к одному и тому же вопросу: «Зачем им ферритовые бусины?»
В частности, в аналоговых устройствах или при работе с такими объектами, как смещение постоянного тока, подавление шума или высокочастотные сигналы, ферритовый шарик или ферритовые шарики в некоторых случаях могут использовать ферритовый материал для минимизации подавления электромагнитных помех.Ферритовые бусины: наши невоспетые электронные герои
Ответ на этот животрепещущий вопрос заключается в нашем бесконечном стремлении устранить электромагнитные помехи. Этот поиск становится особенно важным для тех из нас, кто пользуется мобильными телефонами, телевизорами, DVD-дисками, игровыми системами и компьютерами.
Когда мы углубляемся в технологии с высокой скоростью передачи данных, мы обнаруживаем, что конструкции печатных плат часто требуют нескольких, но отдельных цифровых и аналоговых шин питания. Высокоскоростные тактовые сигналы, данные и скорости переключения ввода-вывода создают частоты и гармоники, которые могут перегрузить шины питания.
В результате цепь может испытывать пульсации напряжения и выходной джиттер. Использование ферритовых колец между шинами позволяет разработчикам печатных плат упростить схемы питания и минимизировать пространство на плате, сохраняя при этом высокочастотное разделение между шинами.
Взаимосвязь между работой этих устройств и ферритовыми шариками становится более ясной, когда мы исследуем электромагнитные свойства феррита. Поскольку ферритовые шарики состоят из проводника, вставленного в полый цилиндр из высокопроницаемого керамического материала на основе оксида железа, электромагнитные свойства влияют на протекание тока. Проницаемость оксидов железа, содержащихся в керамическом материале, поддерживает формирование магнитного поля при протекании тока через проводник.
Вы можете найти никель-цинковые (NiZn) или марганцево-цинковые (MnZn) ферритовые шарики. Каждый из них имеет разные электромагнитные свойства, которые могут быть улучшены в процессе производства.
Эти процессы изменяют импеданс ферритового шарика за счет изменения химического состава и физической длины ферритов. В результате бусины оптимизируются для подавления частот в определенных полосах пропускания.
Никель-цинковые ферритовые шарики лучше всего подходят для маломощных цепей с высокой индуктивностью, работающих в диапазоне частот от 500 кГц до 100 МГц, благодаря низкой магнитной проницаемости, высокому объемному удельному сопротивлению, хорошей температурной стабильности и высокой добротности. Имея диапазон проницаемости от 20 до 850 мкм, никель-цинковые шарики могут использоваться в широкополосных трансформаторах. Высокое сопротивление ферритовых бусинок NiZn позволяет конструкторам использовать бусины на частотах от 2 МГц до 500 сот МГц.
В отличие от никель-цинковых шариков, шарики из марганцево-цинкового феррита обладают высокой проницаемостью, превышающей 800 мкм, низким объемным сопротивлением и низкой добротностью. Ферритовые сердечники из MnZn работают с импульсными силовыми трансформаторами, работающими в диапазоне частот от 20 до 100 кГц.
Подавление ЭМС может быть достигнуто с помощью феррита
Wallflowers of the Electronic Component Society
Когда мы разрабатываем печатные платы, ферритовые шарики редко упоминаются. Ведь это пассивные устройства. И… ферритовые шарики не могут претендовать на роль конденсаторов, катушек индуктивности или резисторов. Однако красота ферритовых бусинок заключается в их емкостных, индуктивных и резистивных характеристиках. Ферритовые шарики обладают резистивными характеристиками в диапазоне от одной до двух декад частоты. В то время как ферритовые бусины являются индуктивными на более низких частотах, ферриты являются емкостными на более высоких частотах.
В отличие от своих пассивных собратьев, ферритовые бусины рассеивают, а не накапливают высокочастотную энергию.
Вместо того, чтобы отражаться обратно в систему, энергия рассеивается в виде тепла. Как мы уже видели, ферритовые шарики с низкой добротностью не влияют на цепь на низких частотах, но сопротивляются высокочастотной энергии.
Ферритовые шарики с низкой добротностью предлагают наилучшее решение для фильтрации источников питания за счет ослабления высокочастотных помех источника питания в тонкой полосе. Поскольку катушки индуктивности накапливают энергию, высокочастотная энергия может сочетаться с емкостью в цепи и вызывать звон. В конструкциях высокоскоростных цифровых схем часто используются ферритовые бусины с низкой добротностью для изоляции высоких частот между общими шинами питания и для достижения целевых импедансов. Соединение ферритовой шайбы последовательно с шиной питания и как часть сети фильтров нижних частот также помогает уменьшить высокочастотный шум источника питания.
Высокодобротные ферритовые бусины используются для приложений с высоким уровнем резонанса, таких как фильтрация сигналов в телекоммуникациях, и предотвращают передачу помех от устройства или к устройству.
Бусины High-Q хорошо подходят для создания схем ВЧ-генераторов и фильтров, требующих высокорезонансных элементов и малых потерь.
С точки зрения конструкции следует использовать ферритовые кольца с четко определенными температурными факторами, которые остаются стабильными с течением времени. Эти характеристики позволяют комбинации LC работать при изменении температуры. Когда дорожки на печатной плате действуют как радиочастотные антенны, ферритовые бусины с высокой добротностью помогают уменьшить электромагнитные помехи, излучаемые платой. Бусины также предотвращают попадание помех в схему через дорожки.
Использование ферритовых бусинок в конструкции вашей печатной платы
Как и в случае любого электронного компонента, вы должны выбрать феррит, характеристики которого соответствуют вашему применению. Например, вы не можете использовать ферритовые бусины высокой добротности в силовых цепях изоляции из-за нежелательного резонанса. Поскольку нежелательный высокочастотный шум, требующий ослабления, должен совпадать с полосой сопротивления феррита, необходимо также определить источник электромагнитных помех и диапазон нежелательных частот.
Когда вы выполняете проектирование и анализ схемы фильтрации шума, вы можете найти приблизительное значение индуктивности шарика и определить резонансную частоту среза.
Правильное использование инструментов SPICE также может сэкономить время, повысить производительность и определить точность при работе с ферритовыми кольцами. Развязка мощности, имитация высокочастотного затухания и представление эффекта ферритовой шайбы с помощью RLC особенно легко достижимы при одновременном повышении безопасности и наглядности вашей схемы.
Производственные проверки будут проще, если вы будете знать, что отправляете своим производителям
резонанс пик может произойти.
Производители оценивают ферритовые шарики в зависимости от удельного тока. Любая сила тока, превышающая номинальный ток, может повредить ферритовый шарик. Когда смещение по постоянному току в цепи питания превышает 30-40% номинального тока, ферритовые кольца насыщаются и теряют способность подавлять электромагнитные помехи. При этом эффективная индуктивность ферритовых колец может уменьшиться на целых 50%. Дополнительное увеличение смещения постоянного тока может снизить импеданс на 90%. Вы можете использовать предоставленные производителем кривые импеданса в зависимости от тока нагрузки, чтобы найти ферритовые кольца, которые выдерживают постоянный ток без достижения насыщения или потери импеданса.
Имея в виду резистивные характеристики ферритовых колец, вы также должны предусмотреть падение напряжения в вашей цепи. Кроме того, вам также необходимо предусмотреть нагрев, который происходит, когда феррит рассеивает высокочастотную энергию. Всегда проверяйте спецификации производителя по максимальному постоянному току и номинальному сопротивлению постоянному току. Выбранная ферритовая бусина должна иметь номинальный постоянный ток, более чем в два раза превышающий значение требуемого тока для шины.
Принимая все это во внимание, ваша электронная схема имеет множество конструктивных особенностей, которые могут повлиять на работу ферритового кольца, ферритового зажима или бусинок ферритовых чипов.
Контролируйте свою радиочастотную энергию, падение напряжения и различные магнитные материалы и минимизируйте энергию высокочастотного шума, чтобы максимизировать эффективность вашей технологии.
Независимо от того, что вы проектируете, если вы планируете использовать ферритовую бусину, убедитесь, что с вашей платой проведено моделирование и анализ, прежде чем отправлять ее в производство. Симулятор OrCAD PSpice от Cadence обязательно предоставит вам необходимый анализ до и во время процесса проектирования.
Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов.
Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.