Nicht alle Ferritperlen sind gleich

Ein häufiges Szenario: Ein Konstrukteur fügt eine Ferritperle in einen Schaltkreis ein, in dem EMV-Probleme auftreten, und stellt dann fest, dass die Perle das unerwünschte Rauschen tatsächlich SCHLECHTER verursacht hat. Wie kann das sein? Sollen Ferritperlen nicht die Rauschenergie entfernen und das Problem nicht verschlimmern?

Die Antwort auf diese Frage ist recht einfach, wird aber von denjenigen, die den Großteil ihrer Zeit mit der Lösung von EMI-Problemen verbringen, möglicherweise nicht allgemein verstanden. Einfach ausgedrückt ist eine Ferritperle keine Ferritperle, keine Ferritperle usw. Die meisten Ferritperlenhersteller stellen eine Tabelle zur Verfügung, in der ihre Teilenummer, die Impedanz bei einer bestimmten Frequenz (normalerweise 100 MHz) und der Gleichstromwiderstand (DCR) aufgeführt sind. , einen maximalen Nennstrom und einige Dimensionsinformationen (siehe Tabelle 1). Alles ziemlich normale Sachen. Was in der Datentabelle nicht dargestellt ist, sind Materialinformationen und die jeweiligen Leistungsmerkmale über der Frequenz.

Tabelle 1: Typische Ferritperlen-Datentabelle

Eine Ferritperle ist ein passives Gerät, das Rauschenergie in Form von Wärme aus einem Schaltkreis entfernt. Die Perle erzeugt eine Impedanz über einen breiten Frequenzbereich, die die unerwünschte Geräuschenergie in diesem Frequenzbereich ganz oder teilweise eliminiert. Für Gleichspannungsanwendungen (z. B. Vcc-Leitungen für ICs) ist ein niedriger Gleichstromwiderstandswert wünschenswert, um keine großen Leistungsverluste innerhalb der gewünschten Signal- und/oder Spannungs- oder Stromquelle zu verursachen (I2 x DCR-Verluste). Es ist jedoch wünschenswert, über einen bestimmten Frequenzbereich eine hohe Impedanz zu haben. Daher hängt die Impedanz vom verwendeten Material (Permeabilität), der Größe der Ferritperle, der Anzahl der Windungen und dem Wicklungsaufbau ab. Offensichtlich ist die Impedanz umso höher, je mehr Wicklungen innerhalb einer bestimmten Gehäusegröße und für ein bestimmtes Material verwendet werden. Dies führt jedoch auch zu einem höheren Gleichstromwiderstand, da die physische Länge der inneren Spule länger ist. Der Nennstrom des Teils ist umgekehrt proportional zu seinem Gleichstromwiderstand.

Einer der grundlegenden Aspekte bei der Verwendung von Ferritperlen für EMI-Anwendungen besteht darin, dass sich die Komponente im Widerstandsstadium befinden muss. Was bedeutet das? Es bedeutet einfach, dass „R“ (Wechselstromwiderstand) größer sein muss als „XL“ (induktive Reaktanz). Bei Frequenzen mit XL > R (niedrigere Frequenzen) verhält sich das Teil eher wie eine Induktivität als wie ein Widerstand. Bei Frequenzen mit R > XL verhält sich das Teil wie ein Widerstand, was die gewünschte Eigenschaft der Ferritperle ist. Die Frequenz, bei der „R“ größer als „XL“ wird, wird „Crossover“-Frequenz genannt. Dies ist in Abbildung 1 dargestellt, wobei die Übergangsfrequenz, in diesem Beispiel 30 MHz, durch den roten Pfeil markiert ist.

Abbildung 1: Übergangsfrequenz

Eine andere Möglichkeit, dies zu betrachten, ist die Frage, was das Teil tatsächlich tut, während es sich in der Induktions- und Widerstandsphase befindet. Wie bei anderen Anwendungen, bei denen es zu einer Impedanzfehlanpassung bei Induktivitäten kommt, wird ein Teil des eingespeisten Signals zur Quelle zurückreflektiert. Dies kann einen gewissen Schutz für empfindliche Geräte auf der anderen Seite der Ferritperle bieten, führt aber auch zu einem „L“ in der Schaltung, was zu Resonanzen und Schwingungen (Klingeln) führen kann. Wenn die Perle also immer noch induktiver Natur ist, wird ein Teil der Rauschenergie reflektiert und ein gewisser Prozentsatz wird durchgelassen, abhängig von den Induktivitäts- und Impedanzwerten.

Wenn sich die Ferritperle im Widerstandsstadium befindet, verhält sich das Bauteil wie gesagt wie ein Widerstand und behindert daher die Rauschenergie und absorbiert diese Energie aus dem Schaltkreis und tut dies in Form von Wärme. Obwohl die Ferritperle auf die gleiche Weise wie einige Induktoren konstruiert ist und dieselben Prozesse, Fertigungslinien und -techniken, Maschinen und einige der gleichen Komponentenmaterialien verwendet, verwendet sie ein verlustbehaftetes Ferritmaterial, während ein Induktor ein Ferritmaterial mit geringerem Verlust verwendet. Dies ist in den Kurven von Abbildung 2 dargestellt.

Abbildung 2: Reflexion vs. Absorption

Diese Abbildung zeigt [μ''], das verwendet wird, um das Verhalten des verlustbehafteten Ferritperlenmaterials widerzuspiegeln.

Auch die Tatsache, dass Impedanzen bei 100 MHz angegeben sind, ist Teil des Auswahlproblems. In vielen EMI-Fällen ist die Impedanz bei dieser Frequenz irrelevant und irreführend. Dieser „Punkt“-Wert sagt nicht aus, ob die Impedanz bei dieser Frequenz ansteigt, abnimmt, flach ist oder einen Spitzenwert in der Impedanz aufweist, und ob sich das Material noch in seinem induktiven Zustand befindet oder in seinen Widerstandszustand übergegangen ist. Tatsächlich verwenden viele Lieferanten von Ferritperlen mehrere Materialien für die gleichen wahrgenommenen Ferritperlen, oder zumindest wie in der Datentabelle gezeigt. Siehe Abbildung 3. Alle fünf Kurven in dieser Abbildung gelten für verschiedene 120-Ohm-Ferritperlen.

Abbildung 3: 120 Ohm (bei 100 MHz) Ferritperlen

Was der Benutzer dann erhalten muss, ist die Impedanzkurve, die die Frequenzeigenschaften der Ferritperle zeigt. Ein Beispiel für eine typische Impedanzkurve ist in Abbildung 4 dargestellt.

Abbildung 4: Typische Impedanzkurve mit /Z/, R, XL

Abbildung 4 zeigt eine sehr wichtige Tatsache. Das Teil ist als 50-Ohm-Ferritperle bei 100 MHz spezifiziert, seine Übergangsfrequenz beträgt jedoch etwa 500 MHz und es erreicht über 300 Ohm zwischen 1 und 2,5 GHz. Auch hier würde ein einfacher Blick auf die Datentabelle dem Benutzer nicht erlauben, dies zu erkennen, und kann sehr irreführend sein.

Wie gezeigt, unterscheiden sich Materialien in ihrer Leistung. Es gibt zahlreiche Variationen von Ferrit, die bei der Herstellung von Ferritperlen verwendet werden. Einige Materialien zeichnen sich durch hohe Verluste, breite Frequenzen, hohe Frequenzen, geringe Einfügedämpfung und andere aus. Eine allgemeine Gruppierung nach Anwendungsfrequenz und Impedanz ist in Abbildung 5 dargestellt.

Abbildung 5: Materialeigenschaften basierend auf der Häufigkeit1

Ein weiteres häufiges Problem besteht darin, dass der Platinendesigner manchmal aufgrund der in seiner genehmigten Komponentendatenbank enthaltenen Auswahl an Ferritperlen eingeschränkt ist. Wenn das Unternehmen nur über wenige zugelassene Ferritperlen verfügt, die in anderen Produkten verwendet wurden und als zufriedenstellend erachtet wurden, besteht in vielen Fällen keine Notwendigkeit, andere Materialien und Teilenummern zu bewerten und zu genehmigen. Dies hat in der jüngeren Vergangenheit häufig zu einigen der verschlimmernden Auswirkungen des oben erwähnten ursprünglichen EMI-Rauschenproblems geführt. Was zuvor funktioniert hat, kann beim nächsten Projekt funktionieren oder auch nicht. Man kann die EMI-Lösung des letzten Projekts nicht einfach übernehmen, insbesondere wenn sich die Frequenz des gewünschten Signals geändert hat oder es zu Frequenzänderungen bei potenziell strahlenden Komponenten wie Uhrengeräten kommt.

Betrachtet man die beiden Impedanzkurven in Abbildung 6, kann man die Materialwirkungen zweier ähnlich spezifizierter Teile vergleichen.

Abbildung 6: Impedanzkurven für B-Material (oben) und D-Material (unten)

Für beide Teile beträgt die Impedanz bei 100 MHz 120 Ohm. Für den linken Teil beträgt die maximale Impedanz bei Verwendung des „B“-Materials etwa 150 Ohm und wird bei 400 MHz erreicht. Für den rechten Teil beträgt die maximale Impedanz bei Verwendung des „D“-Materials 700 Ohm, was bei etwa 700 MHz erreicht wird. Der größte Unterschied besteht jedoch in den Übergangsfrequenzen. Das superhochfrequente „B“-Material geht bei 6 MHz über (R > XL), während das sehr hochfrequente „D“-Material bis etwa 400 MHz induktiv bleibt. Welches Teil ist das richtige? Es kommt auf die jeweilige Anwendung an.

Abbildung 7 zeigt ein allzu häufiges Problem, das auftritt, wenn die falsche Ferritperle zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen ausgewählt wird. Das ungefilterte Signal zeigt eine Unterschreitung von 474,5 mV bei einem 3,5-V-1-US-Impuls.

Abbildung 7: Gemessene Leistung von Materialien mit hohem Verlust und sehr hohem Verlust

Im Ergebnis mit dem Material vom Typ „High Loss“ (mittleres Diagramm) ist die gemessene Unterschwingung aufgrund der höheren Übergangsfrequenz des Teils erhöht. Der Signalunterschwinger erhöht sich von 474,5 mV auf 749,8 mV. Das Super High Loss-Material mit seiner niedrigeren Übergangsfrequenz bietet eine angemessene Leistung und wäre das richtige Material für diese Anwendung (Diagramm rechts). Mit diesem Teil wird die Unterschwingung auf 156,3 mV reduziert.

Wenn der Gleichstrom durch die Perle zunimmt, beginnt das Kernmaterial zu sättigen. Bei Induktivitäten wird dieser als Sättigungsstrom bezeichnet und als prozentuale Abnahme des Induktivitätswerts angegeben. Bei Ferritperlen spiegelt sich der Sättigungseffekt in der Verringerung der Impedanzwerte über der Frequenz wider, während sich das Teil im Widerstandsstadium befindet. Dieser Impedanzabfall verringert die Wirksamkeit der Ferritperle und ihre Fähigkeit, EMI (AC)-Rauschen zu entfernen. Abbildung 8 zeigt eine Reihe typischer DC-Vorspannungskurven für eine Ferritperle.

Abbildung 8: Auswirkungen auf die Impedanz durch Gleichstrom

In dieser Abbildung hat die Ferritperle einen Nennwiderstand von 100 Ohm bei 100 MHz. Dies ist die typische gemessene Impedanz, wenn kein Gleichstrom durch das Teil fließt. Aber wie man sehen kann, kommt es bei Anlegen eines Gleichstroms (z. B. bei IC-VCC-Eingängen) zu einem starken Abfall der effektiven Impedanz, der in den obigen Kurven bei einem Strom von nur 1,0 A von 100 Ohm auf 20 Ohm geht 100 MHz. Vielleicht nicht allzu kritisch, aber etwas, das dem Konstrukteur bewusst sein muss. Auch hier hätte der Benutzer keine Kenntnis von diesem DC-Bias-Phänomen, wenn er nur die elektrischen Kenndaten der Teile aus dem Datenblatt des Lieferanten verwendet.

Wie bei Hochfrequenz-HF-Induktivitäten hat die Wicklungsrichtung der inneren Spulen innerhalb der Ferritperle einen großen Einfluss auf das Frequenzverhalten der Perle. Die Wicklungsrichtung beeinflusst nicht nur die Impedanz-Frequenz-Pegel, sondern verschiebt auch den Frequenzgang. In Abbildung 9 sind zwei 1000-Ohm-Ferritperlen in derselben Gehäusegröße und aus demselben Material, jedoch mit zwei unterschiedlichen Wicklungskonfigurationen dargestellt.

Abbildung 9: „Giga“-Perle links, Standard-Perle rechts2

Der Teil auf der linken Seite, dessen Spulen in vertikaler Ebene gewickelt und in horizontaler Richtung gestapelt sind, ergibt eine höhere Impedanz und einen höheren Frequenzgang als der Teil auf der rechten Seite, der in horizontaler Ebene gewickelt und in vertikaler Richtung gestapelt ist. Dies ist zum Teil auf die geringere kapazitive Reaktanz (XC) zurückzuführen, die mit der verringerten parasitären Kapazität zwischen den Endanschlüssen und den inneren Spulen einhergeht. Der niedrigere XC erzeugt eine höhere Eigenresonanzfrequenz, die es dann ermöglicht, dass die Impedanz der Ferritperle bis zur höheren Eigenresonanzfrequenz weiter ansteigt, was auch zu einem höheren erreichbaren Impedanzwert führt, als es mit einer Ferritperle mit Standardkonstruktion möglich wäre. Die Kurven für die beiden oben genannten 1000-Ohm-Ferritperlen sind in Abbildung 10 dargestellt.

Abbildung 10: Vergleich des Frequenzgangs aufgrund der Wicklungskonfiguration

Um die Auswirkungen der richtigen und falschen Ferritperlenauswahl weiter zu verdeutlichen, wurden eine einfache Testschaltung und eine Testplatine verwendet, um vieles von dem zu demonstrieren, was oben besprochen wurde. In Abbildung 11 ist eine Testplatine mit drei Ferritperlenpositionen und Testpunkten mit der Bezeichnung „A“, „B“ und „C“ im Abstand von 0 mm, 50 mm und 100 mm vom Ausgang des Senders (TX) dargestellt ) Gerät.

Abbildung 11: Testaufbau und Testplatine

Die Signalbedingungen für diesen Test waren die folgenden:

Die Signalintegrität wurde auf der Ausgangsseite der Ferritperle an jeder der drei Stellen gemessen und mit zwei Ferritperlen aus unterschiedlichen Materialien dupliziert. Das erste Material, ein niederfrequentes, verlustbehaftetes „S“-Material, wurde an den Punkten „A“, „B“ und „C“ getestet. Als nächstes wurde ein „D“-Material mit höherer Frequenz verwendet. Die Punkt-zu-Punkt-Ergebnisse mit diesen beiden Ferritperlen sind in Abbildung 12 dargestellt.

Abbildung 12: Ergebnisse der In-Circuit-Leistungstests

Das ungefilterte „Durchgangssignal“ wird in der mittleren Zeile angezeigt und weist an der ansteigenden bzw. abfallenden Flanke ein gewisses Über- und Unterschwingen auf. Wie man sehen kann, zeigte das verlustbehaftete Material mit niedrigerer Frequenz bei Verwendung des richtigen Materials für die oben genannten Testbedingungen eine gute Verbesserung des Über- und Unterschwingsignals an den ansteigenden und abfallenden Flanken. Diese Ergebnisse sind in Abbildung 12 in der oberen Reihe dargestellt. Die Ergebnisse unter Verwendung des Hochfrequenzmaterials führten zu Schwingungen, die die jeweiligen Pegel vergrößerten und die Instabilitätsperiode verlängerten. Diese Testergebnisse werden in der unteren Zeile angezeigt.

Wenn man sich die Verbesserung der EMI über der Frequenz für den empfohlenen oberen Teil (in Abbildung 12) im horizontalen Scan in Abbildung 13 ansieht, erkennt man, dass dieser Teil die EMI-Spitzen erheblich reduziert und den Gesamtrauschpegel für alle Frequenzen reduziert im Bereich von 30 bis etwa 350 MHz auf ein akzeptables Niveau, das deutlich unter dem durch die rote Linie hervorgehobenen EMI-Grenzwert liegt, dem allgemeinen Regulierungsstandard für Geräte der Klasse B (FCC Teil 15 in den USA). Das in der Ferritperle verwendete „S“-Material ist speziell für diese niedrigeren Frequenzen gedacht. Und wie man sehen kann, hat das „S“-Material nur begrenzte Auswirkungen auf die ursprünglichen, ungefilterten EMI-Rauschpegel, sobald die Frequenz über 350 MHz steigt, reduziert aber die eine große Spitze bei 750 MHz um etwa 6 dB. Wenn der größte Teil des EMI-Rauschenproblems über 350 MHz liegt, müsste man die Verwendung eines höherfrequenten Ferritmaterials in Betracht ziehen, dessen Impedanzmaximum weiter oben im Frequenzspektrum liegt.

Abbildung 13: Unterdrückung von abgestrahltem EMI-Rauschen (horizontal).

Natürlich wird das gesamte Klingeln, das in den unteren Kurven in Abbildung 12 dargestellt ist, normalerweise durch tatsächliche Leistungstest- und/oder Simulationssoftware vermieden, aber wir hoffen, dass dieser Artikel es dem Leser ermöglicht, viele der häufigen Fehler zu umgehen. Verkürzen Sie den Zeitaufwand für die Auswahl der richtigen Ferritperle und ermöglichen Sie einen fundierteren Ausgangspunkt, wenn eine Ferritperle zur Lösung eines EMI-Problems benötigt wird.

Um einen Missbrauch bei Ihrem zukünftigen Bedarf an Ferritperlen zu vermeiden, wird empfohlen, dass Sie immer:

Abschließend ist es wünschenswert, Familien oder Serien von Ferritperlen und nicht nur einzelne Teilenummern zu genehmigen, um mehr Optionen und Designflexibilität zu haben. Es ist zu beachten, dass verschiedene Lieferanten unterschiedliche Materialien verwenden und die Häufigkeitsleistung jedes einzelnen Lieferanten überprüft werden muss, insbesondere wenn mehrere Lieferanten für dasselbe Projekt einkaufen. Beim ersten Mal ist dies relativ einfach zu bewerkstelligen. Sobald die Teile jedoch unter einer Kontrollnummer in eine Komponentendatenbank eingegeben wurden und anschließend überall verwendet werden können, ist es wichtig, dass die Frequenzleistung der Teile der verschiedenen Lieferanten möglichst ähnlich ist gegenseitig, um potenzielle zukünftige Probleme für andere Anwendungen zu beseitigen. Der beste Weg, dies zu erreichen, besteht darin, über ähnliche Daten der verschiedenen Anbieter und zumindest über die Impedanzkurve zu verfügen. Dadurch wird auch sichergestellt, dass die richtige Ferritperle zur Lösung Ihres EMI-Problems verwendet wird.

Und denken Sie daran, dass nicht alle Ferritperlen gleich sind.

BeadChris BurketCircuitDesignemiEngineeringFerriteMaterialLärm

Chris Burket ist seit 1995 bei TDK und ist heute leitender Anwendungsingenieur, der eine Vielzahl passiver Komponenten unterstützt. Er war in den Bereichen Produktdesign, technischer Vertrieb und Marketing tätig. Herr Burket hat in zahlreichen Foren Fachbeiträge geschrieben und präsentiert. Herr Burket hatte drei US-Patente für optische/mechanische Schalter und Kondensatoren erhalten.