Tin tức

Một tình huống thường gặp: Một kỹ sư thiết kế chèn một hạt ferrite vào một mạch đang gặp sự cố EMC, chỉ để phát hiện ra rằng hạt đó thực sự gây ra tiếng ồn không mong muốn tồi tệ hơn. Điều này có thể xảy ra như thế nào? Các hạt ferrite không nên loại bỏ năng lượng nhiễu mà không làm cho vấn đề trở nên tồi tệ hơn sao?
Câu trả lời cho câu hỏi này khá đơn giản, nhưng nó có thể không được hiểu rộng rãi ngoại trừ những người dành phần lớn thời gian để giải quyết các vấn đề EMI. Nói một cách đơn giản, hạt ferrite không phải là hạt ferrite, không phải hạt ferrite, v.v. Hầu hết các nhà sản xuất hạt ferrite đều cung cấp một bảng liệt kê số bộ phận của chúng, trở kháng ở một số tần số nhất định (thường là 100 MHz), điện trở DC (DCR), dòng điện định mức tối đa và một số thông tin kích thước (xem Bảng 1). Mọi thứ gần như là tiêu chuẩn. Những gì không được hiển thị trong dữ liệu tờ là thông tin vật liệu và các đặc tính hiệu suất tần số tương ứng.
Hạt Ferrite là một thiết bị thụ động có thể loại bỏ năng lượng nhiễu khỏi mạch dưới dạng nhiệt. Hạt từ tính tạo ra trở kháng trong dải tần số rộng, từ đó loại bỏ toàn bộ hoặc một phần năng lượng nhiễu không mong muốn trong dải tần số này. Đối với các ứng dụng điện áp DC ( chẳng hạn như đường Vcc của IC), mong muốn có giá trị điện trở DC thấp để tránh tổn thất điện năng lớn trong tín hiệu và/hoặc điện áp hoặc nguồn dòng điện cần thiết (tổn hao I2 x DCR). Tuy nhiên, mong muốn có trở kháng cao trong các dải tần số xác định nhất định. Do đó, trở kháng có liên quan đến vật liệu được sử dụng (độ thấm), kích thước của hạt ferrite, số lượng cuộn dây và cấu trúc cuộn dây. Rõ ràng, trong một kích thước vỏ nhất định và vật liệu cụ thể được sử dụng , càng nhiều cuộn dây thì trở kháng càng cao, nhưng do chiều dài vật lý của cuộn dây bên trong dài hơn nên điều này cũng sẽ tạo ra điện trở DC cao hơn. Dòng điện định mức của thành phần này tỷ lệ nghịch với điện trở DC của nó.
Một trong những khía cạnh cơ bản của việc sử dụng hạt ferrite trong các ứng dụng EMI là thành phần phải ở pha điện trở. Điều đó có nghĩa là gì? Nói một cách đơn giản, điều này có nghĩa là “R” (điện trở AC) phải lớn hơn “XL” (điện cảm điện kháng). Ở tần số XL> R (tần số thấp hơn), thành phần giống một cuộn cảm hơn là điện trở. Ở tần số R> XL, bộ phận này hoạt động như một điện trở, đây là đặc tính bắt buộc của hạt ferit. tần số mà tại đó “R” trở nên lớn hơn “XL” được gọi là tần số “chéo”. Tần số này được thể hiện trong Hình 1, trong đó tần số chéo là 30 MHz trong ví dụ này và được đánh dấu bằng mũi tên màu đỏ.
Một cách khác để xem xét điều này là xem thành phần thực sự hoạt động như thế nào trong các pha điện cảm và điện trở của nó. Cũng như các ứng dụng khác mà trở kháng của cuộn cảm không khớp, một phần tín hiệu đến được phản xạ trở lại nguồn. Điều này có thể cung cấp một số biện pháp bảo vệ cho các thiết bị nhạy cảm ở phía bên kia của hạt ferit, nhưng nó cũng đưa chữ “L” vào mạch, có thể gây ra cộng hưởng và dao động (chuông). Do đó, khi các hạt từ tính vẫn còn cảm ứng về bản chất, một phần Năng lượng nhiễu sẽ bị phản xạ và một phần năng lượng nhiễu sẽ đi qua, tùy thuộc vào giá trị điện cảm và trở kháng.
Khi hạt ferit ở pha điện trở, thành phần này hoạt động giống như một điện trở, do đó nó chặn năng lượng nhiễu và hấp thụ năng lượng đó từ mạch điện, đồng thời hấp thụ năng lượng đó dưới dạng nhiệt. Mặc dù có cấu trúc giống như một số cuộn cảm, sử dụng cùng một quy trình, dây chuyền và công nghệ sản xuất, máy móc và một số vật liệu thành phần giống nhau, hạt ferrite sử dụng vật liệu ferrite tổn hao, trong khi cuộn cảm sử dụng vật liệu oxy sắt tổn hao thấp. Điều này được thể hiện trong đường cong trong Hình 2.
Hình vẽ hiển thị [μ''], phản ánh trạng thái của vật liệu hạt ferit bị tổn hao.
Việc trở kháng được đưa ra ở 100 MHz cũng là một phần của vấn đề lựa chọn. Trong nhiều trường hợp EMI, trở kháng ở tần số này là không liên quan và gây hiểu nhầm. Giá trị của “điểm” này không cho biết trở kháng tăng hay giảm , trở nên phẳng và trở kháng đạt giá trị cực đại ở tần số này và liệu vật liệu vẫn đang ở pha điện cảm hay đã chuyển sang pha điện trở. Trên thực tế, nhiều nhà cung cấp hạt ferit sử dụng nhiều vật liệu cho cùng một hạt ferit, hoặc ít nhất là như được hiển thị trong bảng dữ liệu. Xem Hình 3. Tất cả 5 đường cong trong hình này dành cho các hạt ferrite 120 ohm khác nhau.
Sau đó, những gì người dùng phải có được là đường cong trở kháng thể hiện các đặc tính tần số của hạt ferit. Một ví dụ về đường cong trở kháng điển hình được trình bày trong Hình 4.
Hình 4 cho thấy một thực tế rất quan trọng. Phần này được chỉ định là hạt ferit 50 ohm với tần số 100 MHz, nhưng tần số chéo của nó là khoảng 500 MHz và nó đạt được hơn 300 ohm trong khoảng từ 1 đến 2,5 GHz. Một lần nữa, chỉ nhìn vào bảng dữ liệu sẽ không cho người dùng biết điều này và có thể gây nhầm lẫn.
Như được hiển thị trong hình, các đặc tính của vật liệu khác nhau. Có nhiều biến thể của ferrite được sử dụng để tạo ra hạt ferrite. Một số vật liệu có độ suy hao cao, băng thông rộng, tần số cao, tổn thất chèn thấp, v.v.. Hình 5 cho thấy cách phân nhóm chung theo tần số ứng dụng và trở kháng.
Một vấn đề phổ biến khác là các nhà thiết kế bảng mạch đôi khi bị giới hạn trong việc lựa chọn các hạt ferit trong cơ sở dữ liệu thành phần đã được phê duyệt của họ. Nếu công ty chỉ có một số hạt ferit đã được phê duyệt để sử dụng trong các sản phẩm khác và được coi là đạt yêu cầu, trong nhiều trường hợp, không cần thiết phải đánh giá và phê duyệt các vật liệu và số bộ phận khác. Trong thời gian gần đây, điều này đã nhiều lần dẫn đến một số tác động trầm trọng hơn của vấn đề nhiễu EMI ban đầu được mô tả ở trên. Phương pháp hiệu quả trước đây có thể được áp dụng cho dự án tiếp theo hoặc nó có thể không hiệu quả. Bạn không thể chỉ làm theo giải pháp EMI của dự án trước đó, đặc biệt khi tần số của tín hiệu yêu cầu thay đổi hoặc tần số của các thành phần bức xạ tiềm năng như thay đổi thiết bị đồng hồ.
Nếu bạn nhìn vào hai đường cong trở kháng trong Hình 6, bạn có thể so sánh hiệu ứng vật liệu của hai bộ phận được chỉ định tương tự nhau.
Đối với hai thành phần này, trở kháng ở 100 MHz là 120 ohms. Đối với phần bên trái, sử dụng vật liệu “B”, trở kháng tối đa là khoảng 150 ohms và đạt được ở 400 MHz. Đối với phần bên phải , sử dụng vật liệu “D”, trở kháng tối đa là 700 ohms, đạt được ở khoảng 700 MHz. Nhưng sự khác biệt lớn nhất là tần số phân tần. Vật liệu “B” tổn thất cực cao chuyển đổi ở mức 6 MHz (R> XL) , trong khi vật liệu “D” tần số rất cao vẫn có tính cảm ứng ở khoảng 400 MHz. Sử dụng bộ phận nào là đúng? Điều này phụ thuộc vào từng ứng dụng riêng lẻ.
Hình 7 cho thấy tất cả các vấn đề thường gặp xảy ra khi chọn sai hạt ferrite để triệt tiêu EMI. Tín hiệu chưa được lọc hiển thị mức sụt giảm 474,5 mV trên xung 3,5V, 1 uS.
Trong kết quả của việc sử dụng vật liệu loại có tổn thất cao (sơ đồ trung tâm), độ hụt của phép đo tăng lên do tần số chéo của bộ phận cao hơn. Độ giảm tín hiệu tăng từ 474,5 mV lên 749,8 mV. Vật liệu tổn thất siêu cao có một tần số chéo thấp và hiệu suất tốt.Nó sẽ là vật liệu phù hợp để sử dụng trong ứng dụng này (hình bên phải). Phần dưới sử dụng phần này đã giảm xuống còn 156,3 mV.
Khi dòng điện một chiều qua các hạt tăng lên, vật liệu lõi bắt đầu bão hòa. Đối với cuộn cảm, điều này được gọi là dòng bão hòa và được biểu thị bằng phần trăm giảm giá trị điện cảm. Đối với hạt ferrite, khi bộ phận ở trong pha điện trở, ảnh hưởng của độ bão hòa được phản ánh qua việc giảm giá trị trở kháng theo tần số. Sự giảm trở kháng này làm giảm hiệu quả của các hạt ferrite và khả năng loại bỏ nhiễu EMI (AC) của chúng. Hình 8 cho thấy một tập hợp các đường cong sai lệch DC điển hình cho các hạt ferrite.
Trong hình này, hạt ferrite được đánh giá ở mức 100 ohms ở 100 MHz. Đây là trở kháng đo điển hình khi bộ phận không có dòng điện một chiều. Tuy nhiên, có thể thấy rằng khi đặt dòng điện một chiều (ví dụ: đối với IC VCC đầu vào), trở kháng hiệu dụng giảm mạnh.Trong đường cong trên, đối với dòng điện 1,0 A, trở kháng hiệu dụng thay đổi từ 100 ohm thành 20 ohm.100 MHz. Có thể không quá quan trọng nhưng là điều mà kỹ sư thiết kế phải chú ý. Tương tự, bằng cách chỉ sử dụng dữ liệu đặc tính điện của linh kiện trong data sheet của nhà cung cấp thì người sử dụng sẽ không nhận biết được hiện tượng sai lệch DC này.
Giống như cuộn cảm RF tần số cao, hướng cuộn dây của cuộn dây bên trong trong hạt ferrite có ảnh hưởng lớn đến đặc tính tần số của hạt. Hướng cuộn dây không chỉ ảnh hưởng đến mối quan hệ giữa trở kháng và mức tần số mà còn thay đổi đáp ứng tần số. Trong Hình 9, hai hạt ferrite 1000 ohm được hiển thị với cùng kích thước vỏ và cùng chất liệu, nhưng có hai cấu hình cuộn dây khác nhau.
Các cuộn dây của phần bên trái được quấn trên mặt phẳng thẳng đứng và xếp chồng lên nhau theo hướng nằm ngang, tạo ra trở kháng cao hơn và đáp ứng tần số cao hơn phần ở bên phải được quấn trong mặt phẳng ngang và xếp chồng lên nhau theo hướng thẳng đứng. Điều này một phần là do đến điện kháng điện dung (XC) thấp hơn liên quan đến điện dung ký sinh giảm giữa cực cuối và cuộn dây bên trong. XC thấp hơn sẽ tạo ra tần số tự cộng hưởng cao hơn và sau đó cho phép trở kháng của hạt ferit tiếp tục tăng cho đến khi nó đạt tần số tự cộng hưởng cao hơn, cao hơn cấu trúc tiêu chuẩn của hạt ferrite. Giá trị trở kháng. Đường cong của hai hạt ferrite 1000 ohm ở trên được thể hiện trong Hình 10.
Để thể hiện rõ hơn tác động của việc lựa chọn hạt ferrite đúng và sai, chúng tôi đã sử dụng mạch thử nghiệm và bảng thử nghiệm đơn giản để chứng minh hầu hết nội dung được thảo luận ở trên. Trong Hình 11, bảng thử nghiệm hiển thị vị trí của ba hạt ferrite và các điểm kiểm tra được đánh dấu “A”, “B” và “C”, được đặt cách xa thiết bị đầu ra máy phát (TX).
Tính toàn vẹn tín hiệu được đo ở phía đầu ra của các hạt ferit ở mỗi vị trí trong số ba vị trí và được lặp lại với hai hạt ferit làm bằng các vật liệu khác nhau. Vật liệu đầu tiên, vật liệu “S” suy hao tần số thấp, đã được thử nghiệm tại các điểm “A”, “B” và “C”. Tiếp theo, vật liệu “D” tần số cao hơn đã được sử dụng. Kết quả điểm-điểm sử dụng hai hạt ferrite này được thể hiện trong Hình 12.
Tín hiệu chưa được lọc “thông qua” được hiển thị ở hàng giữa, lần lượt hiển thị một số phần vượt quá và phần dưới ở các cạnh tăng và giảm. Có thể thấy rằng việc sử dụng đúng vật liệu cho các điều kiện thử nghiệm trên, vật liệu suy hao tần số thấp hơn cho thấy độ vọt lố tốt và cải thiện tín hiệu undershoot ở các cạnh tăng và giảm. Các kết quả này được hiển thị ở hàng trên của Hình 12. Kết quả của việc sử dụng vật liệu tần số cao có thể gây ra hiện tượng đổ chuông, khuếch đại từng mức và tăng thời gian mất ổn định. Các kết quả thử nghiệm này là hiển thị ở hàng dưới cùng.
Khi nhìn vào sự cải thiện của EMI với tần số ở phần trên được khuyến nghị (Hình 12) trong quét ngang được hiển thị trong Hình 13, có thể thấy rằng đối với tất cả các tần số, phần này làm giảm đáng kể các xung EMI và giảm mức nhiễu tổng thể ở mức 30 đến xấp xỉ Trong phạm vi 350 MHz, mức chấp nhận được thấp hơn nhiều so với giới hạn EMI được đánh dấu bằng đường màu đỏ.Đây là tiêu chuẩn quy định chung cho thiết bị Loại B (FCC Phần 15 ở Hoa Kỳ). Vật liệu “S” được sử dụng trong hạt ferit được sử dụng riêng cho các tần số thấp hơn này. Có thể thấy rằng khi tần số vượt quá 350 MHz, thì Vật liệu “S” có tác động hạn chế đến mức nhiễu EMI ban đầu, chưa được lọc, nhưng nó làm giảm mức tăng đột biến ở 750 MHz khoảng 6 dB. Nếu phần chính của vấn đề nhiễu EMI cao hơn 350 MHz, bạn cần phải xem xét việc sử dụng vật liệu ferrite tần số cao hơn có trở kháng tối đa cao hơn trong phổ.
Tất nhiên, tất cả hiện tượng đổ chuông (như thể hiện ở đường cong dưới cùng của Hình 12) thường có thể tránh được bằng phần mềm mô phỏng và/hoặc thử nghiệm hiệu suất thực tế, nhưng hy vọng rằng bài viết này sẽ cho phép người đọc bỏ qua nhiều lỗi phổ biến và giảm nhu cầu chọn Thời gian hạt ferrite chính xác và cung cấp điểm khởi đầu “có giáo dục” hơn khi cần hạt ferrite để giúp giải quyết các vấn đề EMI.
Cuối cùng, tốt nhất là nên phê duyệt một loạt hoặc một loạt hạt ferit, không chỉ một số bộ phận duy nhất, để có nhiều lựa chọn hơn và linh hoạt về thiết kế. Cần lưu ý rằng các nhà cung cấp khác nhau sử dụng các vật liệu khác nhau và phải xem xét hiệu suất tần số của mỗi nhà cung cấp , đặc biệt là khi thực hiện nhiều giao dịch mua cho cùng một dự án. Lần đầu tiên thực hiện việc này hơi dễ dàng, nhưng khi các bộ phận được nhập vào cơ sở dữ liệu thành phần theo số kiểm soát, chúng có thể được sử dụng ở bất cứ đâu.Điều quan trọng là hiệu suất tần số của các bộ phận từ các nhà cung cấp khác nhau rất giống nhau nên loại bỏ khả năng ứng dụng khác trong tương lai. Sự cố đã xảy ra. Cách tốt nhất là lấy dữ liệu tương tự từ các nhà cung cấp khác nhau và ít nhất phải có đường cong trở kháng. Điều này cũng sẽ đảm bảo rằng các hạt ferrite chính xác được sử dụng để giải quyết vấn đề EMI của bạn.
Chris Burket đã làm việc tại TDK từ năm 1995 và hiện là kỹ sư ứng dụng cao cấp, hỗ trợ một số lượng lớn các thành phần thụ động. Ông đã tham gia thiết kế sản phẩm, bán hàng kỹ thuật và tiếp thị.Burket đã viết và xuất bản các tài liệu kỹ thuật trên nhiều diễn đàn.Mr.Burket đã nhận được ba bằng sáng chế của Hoa Kỳ về công tắc quang học/cơ khí và tụ điện.
In Tuân thủ là nguồn tin tức, thông tin, giáo dục và nguồn cảm hứng chính cho các chuyên gia kỹ thuật điện và điện tử.
Hàng không vũ trụ Ô tô Truyền thông Điện tử tiêu dùng Giáo dục Công nghiệp năng lượng và điện Công nghệ thông tin Y tế Quân đội và Quốc phòng