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Uma situação comum: um engenheiro de projeto insere um cordão de ferrite em um circuito com problemas de EMC, apenas para descobrir que o cordão na verdade piora o ruído indesejado.
A resposta a esta pergunta é bastante simples, mas pode não ser amplamente compreendida, exceto por aqueles que passam a maior parte do tempo resolvendo problemas de EMI. Simplificando, os grânulos de ferrite não são grânulos de ferrite, nem grânulos de ferrite, etc. uma tabela que lista seu número de peça, impedância em uma determinada frequência (geralmente 100 MHz), resistência DC (DCR), corrente nominal máxima e algumas informações sobre dimensões (consulte a Tabela 1).Tudo é quase padrão.O que não é mostrado nos dados folha são as informações materiais e as características de desempenho de frequência correspondentes.
Os grânulos de ferrite são um dispositivo passivo que pode remover a energia sonora do circuito na forma de calor. Os grânulos magnéticos geram impedância em uma ampla faixa de frequência, eliminando assim toda ou parte da energia sonora indesejada nesta faixa de frequência. como a linha Vcc de um IC), é desejável ter um valor baixo de resistência DC para evitar grandes perdas de potência no sinal necessário e/ou tensão ou fonte de corrente (perda I2 x DCR). alta impedância em certas faixas de frequência definidas. Portanto, a impedância está relacionada ao material utilizado (permeabilidade), ao tamanho do cordão de ferrite, ao número de enrolamentos e à estrutura do enrolamento. , quanto mais enrolamentos, maior será a impedância, mas como o comprimento físico da bobina interna é maior, isso também produzirá uma resistência CC mais alta. A corrente nominal deste componente é inversamente proporcional à sua resistência CC.
Um dos aspectos básicos do uso de esferas de ferrite em aplicações EMI é que o componente deve estar na fase de resistência. reatância).Em frequências onde XL> R (frequência mais baixa), o componente é mais parecido com um indutor do que um resistor.Na frequência de R> XL, a peça se comporta como um resistor, que é uma característica necessária dos grânulos de ferrite. a frequência na qual “R” se torna maior que “XL” é chamada de frequência de “crossover”. Isso é mostrado na Figura 1, onde a frequência de crossover é 30 MHz neste exemplo e é marcada por uma seta vermelha.
Outra maneira de ver isso é em termos do que o componente realmente executa durante suas fases de indutância e resistência. Tal como acontece com outras aplicações onde a impedância do indutor não é compatível, parte do sinal de entrada é refletido de volta para a fonte. fornece alguma proteção para o equipamento sensível do outro lado do cordão de ferrite, mas também introduz “L” no circuito, o que pode causar ressonância e oscilação (toque). Portanto, quando os grânulos magnéticos ainda são de natureza indutiva, parte da energia do ruído será refletida e parte da energia do ruído passará, dependendo dos valores de indutância e impedância.
Quando o cordão de ferrite está em sua fase resistiva, o componente se comporta como um resistor, bloqueando a energia do ruído e absorvendo essa energia do circuito, absorvendo-a na forma de calor. Embora construído da mesma forma que alguns indutores, usando o mesmo processo, linha de produção e tecnologia, maquinário e alguns dos mesmos materiais componentes, os grânulos de ferrite usam materiais de ferrite com perdas, enquanto os indutores usam material de oxigênio de ferro de baixa perda.
A figura mostra [μ''], que reflete o comportamento do material do cordão de ferrita com perdas.
O fato da impedância ser dada em 100 MHz também faz parte do problema de seleção. Em muitos casos de EMI, a impedância nesta frequência é irrelevante e enganosa. , torna-se plano e a impedância atinge seu valor de pico nesta frequência, e se o material ainda está em sua fase de indutância ou se transformou em sua fase de resistência. Na verdade, muitos fornecedores de contas de ferrite usam vários materiais para o mesmo cordão de ferrite, ou pelo menos conforme mostrado na folha de dados. Consulte a Figura 3. Todas as 5 curvas nesta figura são para diferentes esferas de ferrite de 120 ohms.
Então, o que o usuário deve obter é a curva de impedância mostrando as características de frequência do cordão de ferrite. Um exemplo de curva de impedância típica é mostrado na Figura 4.
A Figura 4 mostra um fato muito importante.Esta parte é designada como um cordão de ferrite de 50 ohms com frequência de 100 MHz, mas sua frequência de cruzamento é de cerca de 500 MHz e atinge mais de 300 ohms entre 1 e 2,5 GHz.Novamente, apenas olhar a folha de dados não permitirá que o usuário saiba disso e pode ser enganoso.
Conforme mostrado na figura, as propriedades dos materiais variam.Existem muitas variantes de ferrita usadas para fazer esferas de ferrite.Alguns materiais são de alta perda, banda larga, alta frequência, baixa perda de inserção e assim por diante.A Figura 5 mostra o agrupamento geral por frequência e impedância da aplicação.
Outro problema comum é que os projetistas de placas de circuito às vezes ficam limitados à seleção de esferas de ferrite em seu banco de dados de componentes aprovados. Se a empresa tiver apenas algumas esferas de ferrite que foram aprovadas para uso em outros produtos e são consideradas satisfatórias, em muitos casos, não é necessário avaliar e aprovar outros materiais e números de peças. No passado recente, isso levou repetidamente a alguns efeitos agravantes do problema de ruído EMI original descrito acima. pode não ser eficaz.Você não pode simplesmente seguir a solução EMI do projeto anterior, especialmente quando a frequência do sinal necessário muda ou a frequência de componentes potenciais de radiação, como mudanças no equipamento de relógio.
Se você observar as duas curvas de impedância na Figura 6, poderá comparar os efeitos materiais de duas peças designadas semelhantes.
Para estes dois componentes, a impedância em 100 MHz é de 120 ohms. Para a parte da esquerda, usando o material “B”, a impedância máxima é de cerca de 150 ohms, e é realizada em 400 MHz. , usando o material “D”, a impedância máxima é de 700 ohms, que é alcançada em aproximadamente 700 MHz. Mas a maior diferença é a frequência de crossover. , enquanto o material “D” de altíssima frequência permanece indutivo em torno de 400 MHz.Qual parte é a correta para usar?Depende de cada aplicação individual.
A Figura 7 mostra todos os problemas comuns que ocorrem quando os grânulos de ferrite errados são selecionados para suprimir EMI. O sinal não filtrado mostra um undershoot de 474,5 mV em um pulso de 3,5 V, 1 uS.
No resultado do uso de um material do tipo de alta perda (gráfico central), o undershoot da medição aumenta devido à maior frequência de cruzamento da peça. O undershoot do sinal aumentou de 474,5 mV para 749,8 mV. baixa frequência de crossover e bom desempenho.Será o material certo para usar nesta aplicação (foto à direita). O undershoot usando esta peça é reduzido para 156,3 mV.
À medida que a corrente contínua através dos grânulos aumenta, o material do núcleo começa a saturar. Para indutores, isso é chamado de corrente de saturação e é especificado como uma queda percentual no valor da indutância. O efeito da saturação é refletido na diminuição do valor da impedância com a frequência. Essa queda na impedância reduz a eficácia dos grânulos de ferrite e sua capacidade de eliminar o ruído EMI (AC). A Figura 8 mostra um conjunto de curvas de polarização DC típicas para grânulos de ferrite.
Nesta figura, o cordão de ferrite é classificado em 100 ohms a 100 MHz. Esta é a impedância medida típica quando a peça não tem corrente CC. No entanto, pode-se observar que uma vez aplicada uma corrente CC (por exemplo, para IC VCC entrada), a impedância efetiva cai drasticamente.Na curva acima, para uma corrente de 1,0 A, a impedância efetiva muda de 100 ohms para 20 ohms.100 MHz.Talvez não muito crítico, mas algo ao qual o engenheiro de projeto deve prestar atenção.Da mesma forma, usando apenas os dados de características elétricas do componente na folha de dados do fornecedor, o usuário não estará ciente deste fenômeno de polarização DC.
Assim como os indutores de RF de alta frequência, a direção do enrolamento da bobina interna no cordão de ferrite tem uma grande influência nas características de frequência do cordão. A direção do enrolamento não afeta apenas a relação entre a impedância e o nível de frequência, mas também altera a resposta de frequência. Na Figura 9, dois grânulos de ferrite de 1000 ohms são mostrados com o mesmo tamanho de invólucro e o mesmo material, mas com duas configurações de enrolamento diferentes.
As bobinas da parte esquerda são enroladas no plano vertical e empilhadas na direção horizontal, o que produz maior impedância e resposta de frequência mais alta do que a parte do lado direito enrolada no plano horizontal e empilhadas na direção vertical. à reatância capacitiva mais baixa (XC) associada à capacitância parasita reduzida entre o terminal final e a bobina interna. Um XC mais baixo produzirá uma frequência de auto-ressonância mais alta e então permitirá que a impedância do cordão de ferrite continue a aumentar até que atinge uma frequência de auto-ressonância mais alta, que é maior do que a estrutura padrão do grânulo de ferrite. O valor da impedância. As curvas dos dois grânulos de ferrite de 1000 ohm acima são mostradas na Figura 10.
Para mostrar ainda mais os efeitos da seleção correta e incorreta do grânulo de ferrite, usamos um circuito de teste simples e uma placa de teste para demonstrar a maior parte do conteúdo discutido acima. Na Figura 11, a placa de teste mostra as posições de três grânulos de ferrite e os pontos de teste marcados “A”, “B” e “C”, que estão localizados distantes do dispositivo de saída do transmissor (TX).
A integridade do sinal é medida no lado de saída dos grânulos de ferrite em cada uma das três posições e é repetida com dois grânulos de ferrite feitos de materiais diferentes. O primeiro material, um material “S” com perdas de baixa frequência, foi testado em pontos “A”, “B” e “C”. Em seguida, foi utilizado um material “D” de maior frequência. Os resultados ponto a ponto usando essas duas esferas de ferrite são mostrados na Figura 12.
O sinal não filtrado “através” é exibido na linha do meio, mostrando algum overshoot e undershoot nas bordas ascendente e descendente, respectivamente. Pode-se observar que usando o material correto para as condições de teste acima, o material com perdas de frequência mais baixa mostra um bom overshoot e melhoria do sinal undershoot nas bordas ascendentes e descendentes. Esses resultados são mostrados na linha superior da Figura 12. O resultado do uso de materiais de alta frequência pode causar zumbido, o que amplifica cada nível e aumenta o período de instabilidade. mostrado na linha inferior.
Ao observar a melhoria do EMI com frequência na parte superior recomendada (Figura 12) na varredura horizontal mostrada na Figura 13, pode-se observar que para todas as frequências, esta parte reduz significativamente os picos de EMI e reduz o nível geral de ruído em 30 para aproximadamente Na faixa de 350 MHz, o nível aceitável está muito abaixo do limite EMI destacado pela linha vermelha.Este é o padrão regulatório geral para equipamentos Classe B (FCC Parte 15 nos Estados Unidos). O material “S” usado em esferas de ferrite é usado especificamente para essas frequências mais baixas. O material “S” tem um impacto limitado no nível de ruído EMI original e não filtrado, mas reduz um pico importante em 750 MHz em cerca de 6 dB. Se a parte principal do problema de ruído EMI for superior a 350 MHz, você precisa considere o uso de materiais de ferrite de frequência mais alta cuja impedância máxima seja maior no espectro.
É claro que todos os toques (como mostrado na curva inferior da Figura 12) geralmente podem ser evitados por testes de desempenho reais e/ou software de simulação, mas espera-se que este artigo permita que os leitores contornem muitos erros comuns e reduzam a necessidade de selecione o tempo correto do cordão de ferrite e forneça um ponto de partida mais “educado” quando os grânulos de ferrite forem necessários para ajudar a resolver problemas de EMI.
Finalmente, é melhor aprovar uma série ou série de esferas de ferrite, e não apenas um único número de peça, para mais opções e flexibilidade de design. Deve-se notar que diferentes fornecedores usam materiais diferentes, e o desempenho de frequência de cada fornecedor deve ser revisado , especialmente quando várias compras são feitas para o mesmo projeto. É um pouco fácil fazer isso na primeira vez, mas uma vez que as peças são inseridas no banco de dados de componentes sob um número de controle, elas podem ser usadas em qualquer lugar.O importante é que o desempenho de frequência das peças de diferentes fornecedores seja muito semelhante para eliminar a possibilidade de outras aplicações no futuro. O problema ocorreu. A melhor forma é obter dados semelhantes de diferentes fornecedores, e pelo menos ter uma curva de impedância. Isso também garantirá que os grânulos de ferrite corretos sejam usados ​​para resolver seu problema de EMI.
Chris Burket trabalha na TDK desde 1995 e agora é engenheiro de aplicação sênior, dando suporte a um grande número de componentes passivos. Ele esteve envolvido em design de produtos, vendas técnicas e marketing.Burket escreveu e publicou artigos técnicos em muitos fóruns.Burket obteve três patentes nos EUA sobre interruptores e capacitores ópticos/mecânicos.
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