Ферритовые бусины демистифицированы
Узнайте, как получить максимальную отдачу от ферритовых бусин в ваших проектах.
Введение: Что такое ферритовый шарик "" src = "// www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/ferrite-beads-fig01.png" />
Рисунок 1. (a) Упрощенная схема и b) Tyco Electronics BMB2A1000LN2 измеряют график ZRX
Ферритовые бусины подразделяются на три области ответа: индуктивные, резистивные и емкостные. Эти области можно определить, посмотрев график ZRX, показанный на рисунке 1 (b), где Z - импеданс, R - сопротивление, а X - реактивное сопротивление борта.
Для уменьшения высокочастотного шума борт должен находиться в резистивной области; это особенно желательно для приложений фильтрации электромагнитных помех (EMI). Компонент действует как резистор, который препятствует высокочастотному шуму и рассеивает его как тепло. Резистивная область возникает после частоты кроссовера борта (X = R) и вплоть до точки, где шарик становится емкостным. Эта емкостная точка возникает на частоте, где абсолютное значение емкостного реактивного сопротивления (-X) эквивалентно R.
В некоторых случаях упрощенная схема может использоваться для аппроксимации характеристики импеданса ферритового шарика до диапазона субгГГц.
В качестве примера используется многослойный ферритовый шарик Tyco Electronics BMB2A1000LN2. На рисунке 1 (b) показан измеренный ZRX-отклик BMB2A1000LN2 для нулевого тока смещения постоянного тока с использованием анализатора импеданса.
Для области на измеренном участке ZRX, где борт выглядит наиболее индуктивным (Z ≈ XL, LBEAD), индуктивность шарика вычисляется по следующему уравнению:
где f - частотная точка в любом месте области, борд представляется индуктивным. В этом примере f = 30, 7 МГц. XL - реактивное сопротивление на частоте 30, 7 МГц, что составляет 233 Ом.
Уравнение 1 дает значение индуктивности (LBEAD) 1, 208 мкГн.
Для области, где борд выглядит наиболее емкостным (Z ≈ | XC |; CPAR), паразитная емкость вычисляется по следующему уравнению:
где f - частотная точка в любом месте области, борд представляется емкостным. В этом примере f = 803 МГц | XC | является реактивным сопротивлением на частоте 803 МГц, что составляет 118, 1 Ом.
Уравнение 2 дает значение паразитной емкости (CPAR) 1, 678 пФ.
Сопротивление постоянному току (RDC), которое составляет 300 мОм, приобретается в паспорте производителя. Сопротивление переменного тока (RAC) представляет собой пиковый импеданс, где борт кажется чисто резистивным.
Вычислите RAC, вычитая RDC из Z. Поскольку RDC очень мал по сравнению с пиковым импедансом, его можно пренебречь. Поэтому в этом случае RAC составляет 1, 082 кОм. Инструмент симулятора схемы ADIsimPE, приводимый в действие SIMetrix / SIMPLIS, использовался для создания импеданса по сравнению с частотным откликом.
На рисунке 2 (а) показана модель симуляции схемы с вычисленными значениями. Рисунок 2 (b) показывает как фактическое измерение, так и смоделированный результат. В этом примере кривая импеданса модели симуляции схемы точно соответствует измеренной.
Рисунок 2. (а) Модель симуляции схемы и (б) Фактическое измерение против моделирования
Модель ферритового бусина может быть полезна при проектировании и анализе схемы фильтрации шума. Например, аппроксимация индуктивности борта может быть полезной при определении обрезания резонансной частоты при объединении с развязывающим конденсатором в сети фильтра нижних частот.
Однако модель схемы, указанная в этой статье, представляет собой приближение с нулевым током смещения постоянного тока. Эта модель может изменяться относительно тока смещения постоянного тока, а в других случаях требуется более сложная модель.
Текущие соображения смещения постоянного тока
Выбор правильного ферритового бусина для приложений с питанием требует тщательного рассмотрения не только полосы пропускания фильтра, но также характеристик импеданса борта относительно тока смещения постоянного тока. В большинстве случаев производители только указывают импеданс шарика на частоте 100 МГц и публикуют таблицы данных с кривыми частотного отклика при нулевом токе смещения постоянного тока. Однако при использовании ферритовых шариков для фильтрации питания ток нагрузки, проходящий через ферритовый шарик, никогда не равен нулю, и, поскольку ток смещения постоянного тока увеличивается с нуля, все эти параметры значительно изменяются.
По мере увеличения тока смещения постоянного тока материал ядра начинает насыщаться, что значительно снижает индуктивность ферритового шарика. Степень насыщенности индуктивности отличается в зависимости от материала, используемого для сердечника компонента. На рисунке 3 (a) показана типичная зависимость смещения постоянного тока от индуктивности для двух ферритовых гранул. При 50% номинальных токов индуктивность уменьшается на 90%.
Рисунок 3. (a) Влияние тока смещения постоянного тока на кривые индуктивности и импеданса борта относительно тока смещения постоянного тока для: (b) шарика TDK MPZ1608S101A и (c) шарика Würth Elektronik 742 792 510. Нажмите, чтобы увеличить
Для эффективной фильтрации шума источника питания руководство по проектированию должно использовать ферритовые шарики примерно на 20% от их номинального постоянного тока. Как показано в этих двух примерах, индуктивность при 20% от номинального тока снижается примерно до 30% для шарика 6 А и примерно 15% для шарика 3 А. Текущий рейтинг ферритовых шариков является показателем максимального тока, которое устройство может принять для определенного повышения температуры, и оно не является реальной рабочей точкой для фильтрации.
Кроме того, эффект постоянного тока смещения можно наблюдать при уменьшении значений импеданса по частоте, что, в свою очередь, снижает эффективность ферритового шарика и его способность удалять EMI. Рисунок 3 (b) и рис. 3 (c) показывают, как импеданс ферритового шарика изменяется с током смещения постоянного тока. При применении всего 50% номинального тока эффективный импеданс на частоте 100 МГц резко падает от 100 Ом до 10 Ом для TDK MPZ1608S101A (100 Ом, 3 А, 0603) и от 70 до 15 Ом для Würth Elektronik 742 792 510 (70 Ом, 6 А, 1812).
Разработчики системы должны быть полностью осведомлены о влиянии тока смещения постоянного тока на индуктивность борта и эффективного импеданса, поскольку это может иметь решающее значение в приложениях, требующих высокого тока питания.
LC Resonance Effect
Резонансный пик возможен при использовании ферритового шарика вместе с развязывающим конденсатором. Этот часто игнорируемый эффект может быть вредным, поскольку он может усиливать пульсацию и шум в данной системе, а не ослаблять ее. Во многих случаях этот пик происходит вокруг популярных частот переключения преобразователей постоянного тока в постоянный.
Пик возникает, когда резонансная частота сети фильтра нижних частот, образованная индуктивностью ферритового шарика и высокой развязывающей емкостью Q, ниже частоты кроссовера борта. Результирующий фильтр находится под давлением.
На рисунке 4 (а) показан график измерения импеданса и частоты TDK MPZ1608S101A. Резистивный компонент, который зависит от рассеяния нежелательной энергии, не становится значительным до достижения диапазона 20 МГц - 30 МГц. Ниже этой частоты ферритовый шарик по-прежнему имеет очень высокое значение Q и действует как идеальный индуктор.
LC-резонансные частоты для типичных бортовых фильтров обычно находятся в диапазоне от 0, 1 МГц до 10 МГц. Для типичных частот переключения в диапазоне от 300 кГц до 5 МГц требуется дополнительное демпфирование для уменьшения фильтра Q.
Рисунок 4. (a) График ZRX TDK MPZ1608S101A и (b) ответ S21 для фильтра нижних частот ферритового шарика и конденсатора. Нажмите, чтобы увеличить
В качестве примера этого эффекта на рис. 4 (б) показан частотный отклик S21 фильтра нижних частот борта и конденсатора, который демонстрирует эффект пика. Используемая ферритовая шайба представляет собой TDK MPZ1608S101A (100 Ом, 3 A, 0603), а используемый развязывающий конденсатор представляет собой керамический конденсатор с низким ESR Murata GRM188R71H103KA01 (10 нФ, X7R, 0603). Ток нагрузки находится в диапазоне микроампер.
В незатухающем ферритовом шариковом фильтре могут наблюдаться пики от примерно 10 дБ до примерно 15 дБ в зависимости от Q схемы фильтра. На рисунке 4 (b) пик происходит примерно на 2, 5 МГц с коэффициентом усиления 10 дБ.
Кроме того, усиление сигнала можно наблюдать с 1 МГц до 3, 5 МГц. Этот пик является проблематичным, если он возникает в полосе частот, в которой работает регулятор переключения. Это усиливает нежелательные артефакты переключения, которые могут нанести ущерб производительности чувствительных нагрузок, таких как фазовая синхронизация (PLL), генераторы с управлением по напряжению (VCO) и аналого-цифровые преобразователи с высоким разрешением (АЦП).
Результат, показанный на рисунке 4 (b), был выполнен с очень малой нагрузкой (в диапазоне микроампер), но это реалистичное применение в секциях цепей, которым требуется всего несколько микроампер до 1 мА тока нагрузки или секций, которые выключен для экономии энергии в некоторых режимах работы. Этот потенциальный пик создает дополнительный шум в системе, который может создавать нежелательные перекрестные помехи.
В качестве примера на рисунке 5 показана схема приложения ADP5071 с реализованным фильтром борта, а на рисунке 6 показан спектральный график на положительном выходе. Частота переключения установлена на частоте 2, 4 МГц, входное напряжение составляет 9 В, выходное напряжение - 16 В, ток нагрузки 5 мА.
Рисунок 5. Схема применения ADP5071 с реализацией фильтра нижних частот борта и конденсатора на положительном выходе. Нажмите, чтобы увеличить
Рисунок 6. Спектральный выход ADP5071 при нагрузке 5 мА
Резонансный пик происходит примерно на 2, 5 МГц из-за индуктивности шарика и 10 нФ керамического конденсатора. Вместо ослабления основной частоты пульсаций на частоте 2, 4 МГц происходит усиление на 10 дБ.
Другими факторами, которые влияют на резонансные пики, являются последовательные и нагрузочные импедансы фильтра ферритового шарика. Пик значительно снижается и затухает для повышения сопротивления источника. Однако регулирование нагрузки ухудшается при таком подходе, что делает его нереалистичным на практике. Выходное напряжение падает с током нагрузки из-за падения от последовательного сопротивления. Сопротивление нагрузки также влияет на пиковый ответ. Пик хуже для условий легкой нагрузки.
Демпфирующие методы
В этом разделе описываются три метода демпфирования, которые системный инженер может использовать для значительного уменьшения уровня резонансного пика (см. Рис. 7).
Рисунок 7. Фактический частотный отклик для различных методов демпфирования. Нажмите, чтобы увеличить
Метод А состоит в добавлении последовательного резистора к развязывающему каналу конденсатора, который ослабляет резонанс системы, но ухудшает эффективность обхода на высоких частотах. Метод B состоит в добавлении небольшого параллельного резистора через ферритовый шарик, который также ослабляет резонанс системы. Однако затухающая характеристика фильтра уменьшается на высоких частотах.
На рисунке 8 показана кривая импеданса и частоты MPZ1608S101A с параллельным резистором 10 Ω и без него. Светло-зеленая пунктирная кривая представляет собой общий импеданс шарика с резистором 10 Ом параллельно. Сопротивление комбинации бортов и резисторов значительно снижено и в них доминирует резистор 10 Ом.
Однако частота кроссовера 3, 8 МГц для борта с параллельным резистором 10 Ом намного ниже частоты кроссовера борта сама по себе на частоте 40, 3 МГц. Бусина кажется резистивной в гораздо более низком частотном диапазоне, уменьшая Q для улучшения демпфированной производительности.
Рисунок 8. (a) График ZRX MPZ1608S101A и (b) график ZZX MPZ1608S101A, вид масштабирования. Нажмите, чтобы увеличить
Метод C состоит в добавлении большого конденсатора (CDAMP) с последовательным демпфирующим резистором (RDAMP), который часто является оптимальным решением.
Добавление конденсатора и резистора ослабляет резонанс системы и не ухудшает эффективность обхода на высоких частотах. Внедрение этого метода позволяет избежать чрезмерного рассеивания мощности на резисторе из-за большого конденсатора блокировки постоянного тока. Конденсатор должен быть намного больше, чем сумма всех развязывающих конденсаторов, что снижает требуемое значение сопротивления демпфирования. Сопротивление конденсатора должно быть достаточно меньше сопротивления демпфирования на резонансной частоте, чтобы уменьшить пики.
На рисунке 9 показан спектральный график положительного выхода ADP5071 с затуханием метода C, реализованный в прикладной схеме, показанной на рисунке 5. Используемые CDAMP и RDAMP представляют собой керамический конденсатор емкостью 1 мкФ и 2 Ом SMD-резистор соответственно. Основная пульсация на частоте 2, 4 МГц снижается на 5 дБ, а не на 10 дБ, как показано на рисунке 9.
Рисунок 9. Спектральный выход ADP5071 плюс фильтр нижних частот шарика и конденсатора с затуханием метода C
Как правило, метод C является самым элегантным и реализуется путем добавления резистора последовательно с керамическим конденсатором, а не покупкой дорогостоящего специализированного демпфирующего конденсатора. Самые безопасные конструкции всегда включают резистор, который может быть изменен во время прототипирования и который может быть устранен, если это не необходимо. Единственными недостатками являются стоимость дополнительных компонентов и более необходимое пространство на плате.
Вывод
В этой статье приводятся основные соображения, которые необходимо учитывать при использовании ферритовых гранул. В нем также подробно описывается простая схема, представляющая шарик. Результаты моделирования показывают хорошую корреляцию с фактическим измеренным импедансом по сравнению с частотным откликом при нулевом токе смещения постоянного тока.
В этой статье также обсуждается влияние тока смещения постоянного тока на характеристики ферритового шарика. Это показывает, что ток смещения постоянного тока, превышающий 20% от номинального тока, может вызвать значительное падение индуктивности борта. Такой ток может также уменьшить эффективный импеданс шарика и ухудшить его возможности фильтрации электромагнитных помех. При использовании ферритовых шариков в питающей шине с током смещения постоянного тока убедитесь, что ток не вызывает насыщения ферритного материала и вызывает значительное изменение индуктивности.
Поскольку ферритовый шарик является индуктивным, не используйте его с высококонтактными конденсаторами Q без особого внимания. Это может принести больше вреда, чем пользы, создавая нежелательный резонанс в цепи. Тем не менее, методы демпфирования, предлагаемые в этой статье, предлагают простое решение с использованием большого развязывающего конденсатора последовательно с демпфирующим резистором на нагрузке, что позволяет избежать нежелательного резонанса. Правильное применение ферритовых гранул может быть эффективным и недорогим способом снижения высокочастотных шумов и переходных процессов.
Рекомендации
AN-583 Application Note, Проектирование фильтров силовой изоляции с ферритовыми шариками для ПЛИС Altera. Корпорация Altera.
Руководство по применению для подавления помех и развязки источника питания для цифровых микросхем. Murata Manufacturing Co., Ltd.
Беркет, Крис. «Все ферритовые бусины не созданы равнозначно важности поведения материала ферритового бисера». Корпорация TDK.
Эко, Джефферсон и Элдрик Лимжоко. AN-1368 Примечание по применению, ферритовый шарик демистифицирован. Analog Devices, Inc.
Fancher, David B. «ILB, ILBB Ферритовые бусины: электромагнитные помехи и электромагнитная совместимость (EMI / EMC)». Вишай Дейл.
Хилл, Ли и Рик Мидорс. «Подавление EMI стюарда». Стюард.
Кундерт, Кен. «Подавление шума источника питания». Designer's Guide Consulting, Inc.
Вейр, Стив. «Применение ферритовых бусин PDN». IPBLOX, LLC.
Дальнейшее чтение
Эта статья была первоначально опубликована в Analog Dialogue. Посетите их веб-сайт, чтобы просмотреть дополнительные технические статьи.
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.