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Una situación común: un ingeniero de diseño inserta una perla de ferrita en un circuito que experimenta problemas de EMC, solo para descubrir que la perla en realidad empeora el ruido no deseado. ¿Cómo podría ser esto? ¿No deberían las perlas de ferrita eliminar la energía del ruido sin empeorar el problema?
La respuesta a esta pregunta es bastante simple, pero puede que no se entienda ampliamente, excepto para aquellos que pasan la mayor parte del tiempo resolviendo problemas de EMI. En pocas palabras, las perlas de ferrita no son perlas de ferrita, ni perlas de ferrita, etc. La mayoría de los fabricantes de perlas de ferrita ofrecen una tabla que enumera su número de pieza, impedancia a una frecuencia determinada (generalmente 100 MHz), resistencia de CC (DCR), corriente nominal máxima y algunas dimensiones. Información (consulte la Tabla 1). Todo es casi estándar. Lo que no se muestra en los datos La hoja es la información del material y las características de rendimiento de frecuencia correspondientes.
Las perlas de ferrita son un dispositivo pasivo que puede eliminar la energía de ruido del circuito en forma de calor. Las perlas magnéticas generan impedancia en un amplio rango de frecuencia, eliminando así toda o parte de la energía de ruido no deseada en este rango de frecuencia. Para aplicaciones de voltaje CC ( como la línea Vcc de un IC), es deseable tener un valor de resistencia de CC bajo para evitar grandes pérdidas de potencia en la señal requerida y/o voltaje o fuente de corriente (pérdida I2 x DCR). Sin embargo, es deseable tener alta impedancia en ciertos rangos de frecuencia definidos. Por lo tanto, la impedancia está relacionada con el material utilizado (permeabilidad), el tamaño de la perla de ferrita, el número de devanados y la estructura del devanado. Obviamente, en un tamaño de carcasa determinado y un material específico utilizado , cuantos más devanados, mayor será la impedancia, pero como la longitud física de la bobina interna es mayor, esto también producirá una mayor resistencia de CC. La corriente nominal de este componente es inversamente proporcional a su resistencia de CC.
Uno de los aspectos básicos del uso de perlas de ferrita en aplicaciones EMI es que el componente debe estar en la fase de resistencia. ¿Qué significa? En pocas palabras, esto significa que “R” (resistencia CA) debe ser mayor que “XL” (resistencia inductiva). Reactancia). En frecuencias donde XL> R (frecuencia más baja), el componente se parece más a un inductor que a una resistencia. En la frecuencia de R> XL, la pieza se comporta como una resistencia, que es una característica requerida de las perlas de ferrita. La frecuencia a la que “R” se vuelve mayor que “XL” se denomina frecuencia de “cruce”. Esto se muestra en la Figura 1, donde la frecuencia de cruce es de 30 MHz en este ejemplo y está marcada con una flecha roja.
Otra forma de ver esto es en términos de lo que realmente realiza el componente durante sus fases de inductancia y resistencia. Al igual que con otras aplicaciones donde la impedancia del inductor no coincide, parte de la señal entrante se refleja de regreso a la fuente. Esto puede proporciona cierta protección para el equipo sensible en el otro lado de la perla de ferrita, pero también introduce "L" en el circuito, lo que puede causar resonancia y oscilación (timbre). Por lo tanto, cuando las perlas magnéticas todavía son de naturaleza inductiva, parte De la energía del ruido se reflejará y parte de la energía del ruido pasará, dependiendo de los valores de inductancia e impedancia.
Cuando la perla de ferrita está en su fase resistiva, el componente se comporta como una resistencia, por lo que bloquea la energía del ruido y absorbe esa energía del circuito, y la absorbe en forma de calor. Aunque está construido de la misma manera que algunos inductores, usando Con el mismo proceso, línea de producción y tecnología, maquinaria y algunos de los mismos materiales componentes, las perlas de ferrita utilizan materiales de ferrita con pérdidas, mientras que los inductores utilizan material de hierro y oxígeno de baja pérdida. Esto se muestra en la curva de la Figura 2.
La figura muestra [μ''], que refleja el comportamiento del material de perlas de ferrita con pérdidas.
El hecho de que la impedancia se dé a 100 MHz también es parte del problema de selección. En muchos casos de EMI, la impedancia a esta frecuencia es irrelevante y engañosa. El valor de este “punto” no indica si la impedancia aumenta o disminuye. , se vuelve plano y la impedancia alcanza su valor máximo a esta frecuencia, y si el material todavía está en su fase de inductancia o se ha transformado en su fase de resistencia. De hecho, muchos proveedores de perlas de ferrita utilizan varios materiales para la misma perla de ferrita, o al menos como se muestra en la hoja de datos. Consulte la Figura 3. Las 5 curvas en esta figura son para diferentes perlas de ferrita de 120 ohmios.
Luego, lo que el usuario debe obtener es la curva de impedancia que muestra las características de frecuencia de la perla de ferrita. En la Figura 4 se muestra un ejemplo de una curva de impedancia típica.
La Figura 4 muestra un hecho muy importante. Esta pieza está designada como una perla de ferrita de 50 ohmios con una frecuencia de 100 MHz, pero su frecuencia de cruce es de aproximadamente 500 MHz y alcanza más de 300 ohmios entre 1 y 2,5 GHz. Nuevamente, solo mirar la hoja de datos no le permitirá al usuario saber esto y puede ser engañoso.
Como se muestra en la figura, las propiedades de los materiales varían. Hay muchas variantes de ferrita utilizadas para fabricar perlas de ferrita. Algunos materiales son de alta pérdida, banda ancha, alta frecuencia, baja pérdida de inserción, etc. La Figura 5 muestra la agrupación general por frecuencia de aplicación e impedancia.
Otro problema común es que los diseñadores de placas de circuitos a veces se limitan a la selección de perlas de ferrita en su base de datos de componentes aprobados. Si la empresa tiene sólo unas pocas perlas de ferrita que han sido aprobadas para su uso en otros productos y se consideran satisfactorias, en muchos casos, no es necesario evaluar y aprobar otros materiales y números de piezas. En el pasado reciente, esto ha llevado repetidamente a algunos efectos agravantes del problema de ruido EMI original descrito anteriormente. El método previamente efectivo puede ser aplicable al siguiente proyecto, o puede no ser efectivo. No puede simplemente seguir la solución EMI del proyecto anterior, especialmente cuando cambia la frecuencia de la señal requerida o la frecuencia de posibles componentes radiantes, como los equipos de reloj.
Si observa las dos curvas de impedancia en la Figura 6, puede comparar los efectos materiales de dos partes designadas similares.
Para estos dos componentes, la impedancia a 100 MHz es de 120 ohmios. Para la parte de la izquierda, utilizando el material “B”, la impedancia máxima es de unos 150 ohmios y se realiza a 400 MHz. Para la parte de la derecha , utilizando el material "D", la impedancia máxima es de 700 ohmios, que se logra a aproximadamente 700 MHz. Pero la mayor diferencia es la frecuencia de cruce. El material "B" de pérdida ultra alta realiza una transición a 6 MHz (R> XL) , mientras que el material “D” de muy alta frecuencia permanece inductivo alrededor de 400 MHz.¿Qué pieza es la correcta a utilizar?Depende de cada aplicación individual.
La Figura 7 muestra todos los problemas comunes que ocurren cuando se seleccionan perlas de ferrita incorrectas para suprimir la EMI. La señal sin filtrar muestra un subimpulso de 474,5 mV en un pulso de 3,5 V y 1 uS.
Como resultado del uso de un material de tipo de alta pérdida (gráfico central), el subimpulso de la medición aumenta debido a la mayor frecuencia de cruce de la pieza. El subimpulso de la señal aumentó de 474,5 mV a 749,8 mV. El material de pérdida súper alta tiene un Baja frecuencia de cruce y buen rendimiento.Será el material adecuado para usar en esta aplicación (imagen de la derecha). El subimpulso con esta pieza se reduce a 156,3 mV.
A medida que aumenta la corriente continua a través de las perlas, el material del núcleo comienza a saturarse. Para los inductores, esto se llama corriente de saturación y se especifica como una caída porcentual en el valor de la inductancia. Para las perlas de ferrita, cuando la pieza está en la fase de resistencia, la El efecto de la saturación se refleja en la disminución del valor de impedancia con la frecuencia. Esta caída en la impedancia reduce la efectividad de las perlas de ferrita y su capacidad para eliminar el ruido EMI (CA). La Figura 8 muestra un conjunto de curvas de polarización de CC típicas para perlas de ferrita.
En esta figura, la perla de ferrita tiene una potencia nominal de 100 ohmios a 100 MHz. Esta es la impedancia medida típica cuando la pieza no tiene corriente CC. Sin embargo, se puede ver que una vez que se aplica una corriente CC (por ejemplo, para IC VCC entrada), la impedancia efectiva cae bruscamente.En la curva anterior, para una corriente de 1,0 A, la impedancia efectiva cambia de 100 ohmios a 20 ohmios. 100 MHz. Quizás no sea demasiado crítico, pero es algo a lo que el ingeniero de diseño debe prestar atención. De manera similar, utilizando solo los datos de características eléctricas del componente en la hoja de datos del proveedor, el usuario no será consciente de este fenómeno de polarización de CC.
Al igual que los inductores de RF de alta frecuencia, la dirección de devanado de la bobina interna en la perla de ferrita tiene una gran influencia en las características de frecuencia de la perla. La dirección de devanado no solo afecta la relación entre la impedancia y el nivel de frecuencia, sino que también cambia la respuesta de frecuencia. En la Figura 9, se muestran dos perlas de ferrita de 1000 ohmios con el mismo tamaño de carcasa y el mismo material, pero con dos configuraciones de devanado diferentes.
Las bobinas de la parte izquierda están enrolladas en el plano vertical y apiladas en dirección horizontal, lo que produce una mayor impedancia y una respuesta de frecuencia más alta que la parte del lado derecho enrollada en el plano horizontal y apiladas en dirección vertical. Esto se debe en parte a la reactancia capacitiva más baja (XC) asociada con la capacitancia parásita reducida entre el terminal final y la bobina interna. Una XC más baja producirá una frecuencia de autorresonancia más alta y luego permitirá que la impedancia de la perla de ferrita continúe aumentando hasta que alcanza una frecuencia de autorresonancia más alta, que es más alta que la estructura estándar de la perla de ferrita. El valor de impedancia. Las curvas de las dos perlas de ferrita de 1000 ohmios anteriores se muestran en la Figura 10.
Para mostrar aún más los efectos de la selección correcta e incorrecta de perlas de ferrita, utilizamos un circuito de prueba simple y una placa de prueba para demostrar la mayor parte del contenido discutido anteriormente. En la Figura 11, la placa de prueba muestra las posiciones de tres perlas de ferrita y los puntos de prueba marcados. “A”, “B” y “C”, que se encuentran alejados del dispositivo de salida del transmisor (TX).
La integridad de la señal se mide en el lado de salida de las perlas de ferrita en cada una de las tres posiciones, y se repite con dos perlas de ferrita hechas de diferentes materiales. El primer material, un material "S" con pérdidas de baja frecuencia, se probó en puntos “A”, “B” y “C”. A continuación, se utilizó un material “D” de mayor frecuencia. Los resultados punto a punto utilizando estas dos perlas de ferrita se muestran en la Figura 12.
La señal "pasante" sin filtrar se muestra en la fila central, mostrando algo de sobreimpulso y de subimpulso en los bordes ascendente y descendente, respectivamente. Se puede ver que utilizando el material correcto para las condiciones de prueba anteriores, el material con pérdidas de frecuencia más baja muestra un buen sobreimpulso. y mejora de la señal por debajo del alcance en los bordes ascendente y descendente. Estos resultados se muestran en la fila superior de la Figura 12. El resultado del uso de materiales de alta frecuencia puede causar un timbre, que amplifica cada nivel y aumenta el período de inestabilidad. Estos resultados de la prueba son se muestra en la fila inferior.
Al observar la mejora de EMI con la frecuencia en la parte superior recomendada (Figura 12) en el escaneo horizontal que se muestra en la Figura 13, se puede ver que para todas las frecuencias, esta parte reduce significativamente los picos de EMI y reduce el nivel de ruido general a 30 hasta aproximadamente En el rango de 350 MHz, el nivel aceptable está muy por debajo del límite de EMI resaltado por la línea roja.Este es el estándar regulatorio general para equipos de Clase B (FCC Parte 15 en los Estados Unidos). El material "S" usado en las perlas de ferrita se usa específicamente para estas frecuencias más bajas. Se puede ver que una vez que la frecuencia excede los 350 MHz, el El material “S” tiene un impacto limitado en el nivel de ruido EMI original sin filtrar, pero reduce un pico importante a 750 MHz en aproximadamente 6 dB. Si la parte principal del problema de ruido EMI es superior a 350 MHz, es necesario considere el uso de materiales de ferrita de mayor frecuencia cuya impedancia máxima sea mayor en el espectro.
Por supuesto, todos los timbres (como se muestra en la curva inferior de la Figura 12) generalmente pueden evitarse mediante pruebas de rendimiento reales y/o software de simulación, pero se espera que este artículo permita a los lectores evitar muchos errores comunes y reducir la necesidad de seleccione el tiempo correcto de las perlas de ferrita y proporcione un punto de partida más "educado" cuando se necesiten perlas de ferrita para ayudar a resolver problemas de EMI.
Finalmente, es mejor aprobar una serie o series de perlas de ferrita, no solo un número de pieza, para obtener más opciones y flexibilidad de diseño. Cabe señalar que diferentes proveedores utilizan diferentes materiales y se debe revisar el rendimiento de frecuencia de cada proveedor. , especialmente cuando se realizan varias compras para el mismo proyecto. Es un poco fácil hacer esto la primera vez, pero una vez que las piezas se ingresan en la base de datos de componentes con un número de control, se pueden usar en cualquier lugar.Lo importante es que el rendimiento de frecuencia de piezas de diferentes proveedores sea muy similar para eliminar la posibilidad de otras aplicaciones en el futuro. Ocurrió el problema. La mejor manera es obtener datos similares de diferentes proveedores y al menos tener una curva de impedancia. Esto también garantizará que se utilicen las perlas de ferrita correctas para resolver su problema de EMI.
Chris Burket ha trabajado en TDK desde 1995 y ahora es ingeniero senior de aplicaciones, dando soporte a una gran cantidad de componentes pasivos. Ha estado involucrado en el diseño de productos, ventas técnicas y marketing.Burket ha escrito y publicado artículos técnicos en muchos foros.Burket ha obtenido tres patentes estadounidenses sobre interruptores y condensadores ópticos/mecánicos.
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