Ferrite bead что это

Чистое питание для каждой микросхемы, часть 3: понятие ферритовых бусин

Предыдущую статью мы закончили сокращенным набором рекомендаций для правильного проектирования и разводки цепи блокировки источников питания, которая будет хранить достаточный заряд для продолжительных отклонений электропитания и иметь низкий импеданс для преобладающих частот шума. Вы можете быть уверены, что этот подход будет более чем достаточным для большинства проектов.

Тем не менее, успех подхода, основанного только на конденсаторах, не означает, что нет возможности для улучшения, и именно здесь вступает в игру менее известный компонент развязки. Если вы чувствуете, что какие-то микросхемы вашей схемы особенно чувствительны к шуму (и поэтому нуждаются в дополнительной фильтрации) или особенно шумят (и поэтому нуждаются в дополнительной развязке от шины питания), вам следует рассмотреть чудесный мир ферритовых бусин.

Что в бусине?

Простейшей формой ферритовой бусины является проводящий провод, вставленный через полый кусок керамического материала, известного как феррит.

Ферритовая бусина

Электромагнитные свойства феррита позволяют материалу влиять на ток, протекающий через проводник. Точная природа этого влияния частично зависит от типа феррита (например, марганец-цинк или никель-цинк), а свойства конкретного ферритового материала могут быть дополнительно уточнены в процессе производства. Во многих ферритовых бусинах поверхностного монтажа проводник оформляется в виде катушке, причем отдельные витки накладываются между ферритовыми листами. Таким образом, электрические характеристики также зависят от деталей конструкции намотки.

Ферритовые бусины можно разделить на две общие категории: бусины с высокой добротностью (Q) (или резонансные) и бусины с низкой добротностью (Q) (или нерезонансные). Бусины с высокой добротностью предназначены для приложений, требующих высокого уровня резонанса, таких как генераторы и специализированные фильтры. Однако в контексте фильтрации питания нам необходимо свести резонанс к минимуму (как обсуждается в данной статье далее), поэтому бусины с высокой добротностью отбрасываем. В оставшейся части статьи любое упоминание ферритовых бусин относится к бусинам с низкой добротностью.

Это не индуктивность, не конденсатор, не резистор.

В нашей попытке разобраться с ферритовыми бусинами мы можем начать с рассмотрения эквивалентной схемы первого порядка, а затем перевести эту эквивалентную схему в общий график зависимости импеданса от частоты.

Эквивалентная схема ферритовой бусины

Индуктивность помещается в центр в качестве напоминания о том, что преобладающая реакция ферритовой бусины является индуктивной, т.е. по мере увеличения частоты увеличивается и импеданс. Однако в какой-то момент (обычно где-то между 30 и 500 МГц) параллельная емкость начинает доминировать над индуктивностью, и при увеличении частоты импеданс уменьшается. Относительно небольшое параллельное сопротивление (скажем, порядка 100 Ом) уменьшает резонанс, связанный с конденсатором и индуктивностью, поэтому импеданс выравнивается в точке перехода, а не достигает всплеска как при высокой добротности. Это поведение отчетливо видно на следующем графике, показывающем измеренные характеристики импеданса стандартной ферритовой бусины SMD производства Wurth Electronics.

Зависимость импеданса ферритовой бусины от частоты

Черная линия показывает общий импеданс, который (хотя это и не показано на графике) начинается с R_посл, иначе называемого сопротивлением бусины по постоянному току. Затем он линейно увеличивается на продолжении индуктивного частотного диапазона, выравнивается на 300 МГц, а затем уменьшается до выравнивания на 1,1 ГГц.

Красные и синие пунктирные линии показывают, что общий импеданс является результатом двух отдельных элементов, а именно реактивного сопротивления индуктивности (XL) и частотно-зависимого активного сопротивления (R). Это поднимает важный момент: эквивалентная схема, приведенная выше, разработана для моделирования частотного поведения бусины – она не передает внутреннюю структуру бусины. Эквивалентная модель полезна для понимания того, как импеданс ферритовой бусины изменяется с частотой, и для моделирования, но в первую очередь свойства импеданса компонента определяет сам ферритовый материал. Это важно понимать, потому что эквивалентная схема может отвлечь вас от одной из определяющих характеристик ферритовых бусин: фактически они рассеивают высокочастотную энергию.

Вошел шум, вышло тепло

Напомним, что идеальные индуктивности и конденсаторы не рассеивают никакой энергии; они просто хранят энергию, либо в магнитном поле (индуктивности), либо в электрическом поле (конденсаторы). Резистор, с другой стороны, выводит энергию из схемы и рассеивает ее как тепло. Ферритовые бусины, в отличие от индуктивностей, преднамеренно резистивны на высоких частотах. Вот почему приведенный выше график имеет красную пунктирную линию с надписью «R» – от 100 МГц до 1 ГГЦ бусина демонстрирует значительный активный, а не реактивный импеданс. Фактически некоторые ферритовые бусины и катушки индуктивности с ферритовыми сердечниками практически идентичны по конструкции, за исключением того, что ферритовая бусина использует ферритовый материал с большими «потерями», потому что производитель хочет, чтобы бусина рассеивала, а не хранила высокочастотную энергию.

Но зачем вдаваться в эти ненужные подробности? Мы обратили на них внимание по двум причинам. Во-первых, вы не можете по-настоящему разобраться с ферритовыми бусинами, пока не уделите должное внимание этому фундаментальному различию между катушкой индуктивности и бусиной. Во-вторых, эта характеристика «потерь» делает ферритовую бусину особенно подходящей для подавления шума. Почему? Катушка индуктивности может привести к резонансу и звону, когда энергия высокочастотного шума, накопленная в индуктивности, взаимодействует с емкостью в другой части схемы. Как мы видели в предыдущих статьях, звон может стать серьезной проблемой даже тогда, когда мы имеем дело только с паразитной индуктивностью. Мы не хотим усугублять ситуацию с резонансом/звоном, и поэтому выбираем ферритовые бусины вместо катушек индуктивности.

Выбирайте внимательно

Ключом к максимизации преимуществ подавления шума ферритовой бусиной является обеспечение того, чтобы целевые частоты шума попадали в резистивный диапазон бусины, то есть ту часть частотной характеристики, где активный импеданс доминирует над реактивным. Это означает, что вы не можете просто взглянуть на основные спецификации, указанные в каталоге или техническом описании. Например, предположим, что вы ожидаете максимум шума на 100 МГц из-за тактового сигнала микропроцессора. Описание из каталога для компонента Wurth, рассмотренного выше, следующее:

Описание ферритовой бусины из каталога (пример 1)

И среди спецификаций вы увидите следующее:

Спецификация импеданса ферритовой бусины (пример 1)

На основе этой информации вы можете предположить, что резистивный диапазон бусины включает в себя 100 МГц. В этом случае вы будете правы – как показано на графике частотной характеристики, эта конкретная бусина входит в резистивное состояние примерно на 80 МГц.

Резистивный частотный диапазон ферритовой бусины (пример 1)

Тем не менее, на частоте 100 МГц по-прежнему присутствует значительное индуктивное реактивное сопротивление, и очевидно, что бусина обеспечит максимальную эффективность при шумах на частотах около 300 МГц.

Теперь, допустим, вы подумали о компоненте с номером MMZ1608D121CTAH0 от TDK. Описание и спецификация импеданса у него следующие:

Описание ферритовой бусины из каталога (пример 2) Спецификация импеданса ферритовой бусины (пример 2)

Если вы снова предположите, что бусина на частоте 100 МГц преимущественно резистивна, то столкнетесь с небольшими проблемами:

Резистивный частотный диапазон ферритовой бусины (пример 2)

График показывает, что 100 МГц всё еще далеко внутри индуктивного участка кривой импеданса бусины. Основываясь на точке, в которой кривая начинает выравниваться, резистивный диапазон начинается примерно на 500 МГц, и бусина не достигает своей оптимальной шумовой частоты до 700 МГц. Поэтому, если вы выберете эту бусину, то не только пониженный импеданс на целевой частоте шума, но и тип импеданса (а именно реактивный) могут сделать вашу схему более восприимчивой к звону или даже привести к сильным колебаниям на шине питания.

Резюме

В данной статье мы рассмотрели некоторые существенные физические и электрические характеристики ферритовых бусин и увидели, что эти компоненты могут быть особенно эффективными в улучшении качества питания, когда они используются для подавления шумовых частот, попадающих в их диапазон с доминирующим активным импедансом. В следующей статье мы обсудим конкретные методы включения ферритовых бусин в цепи блокировки/обхода источников питания.

Выбор и использование ферритовых бусин для подавления звона в импульсных преобразователях

«Звон» — распространенный термин, обозначающий нежелательные колебания, которые происходят при коммутации ключа и наличии паразитных индуктивностей и емкостей. Паразитная емкость ключа, высвобождающая энергию при его переключении, образует звон с паразитными индуктивностями дискретных силовых дросселей, проводников печатной платы, выводов компонентов, разъемов и т. д. Поскольку у печатных плат всегда имеются паразитные элементы, все импульсные преобразователи генерируют, по крайней мере, незначительный звон. Частоты этих электромагнитных помех (ЭМП), как правило, находятся в диапазоне 50–200 МГц. На этих частотах проводники печатных плат, а также входные и выходные выводы работают как антенны, приводя к появлению кондуктивных помех и излучаемого шума.

Большинство импульсных преобразователей работает на частотах до 5 МГц. Поскольку мощность высших гармонических составляющих, возникающих при коммутации, как правило, очень мала на частотах до 50 МГц и выше, на осциллограмме излучаемых ЭМП эти гармоники маскируются основной частотой и могут остаться незамеченными. Кроме того, если пульсации основной частоты относительно просто подавляются с помощью LC-фильтров, то с гармониками высших порядков дело обстоит иначе. На частотах 50–200 МГц многие дроссели фильтра ведут себя не как индуктивности, а как емкости, и практически перестают ослаблять сигналы. Схожим образом ведут себя и конденсаторы фильтра, импеданс которых в диапазоне 50–200 МГц приобретает индуктивный характер. В таких случаях более эффективным способом фильтрации является использование ферритовых бусин, поскольку у них очень малое сопротивление на низких частотах (как правило, меньше 10 МГц). Однако у этих компонентов очень большие резистивные потери в диапазоне частот 10 МГц…1 ГГц, что зависит от их типа и конструкции. Как правило, ферриты применяются последовательно входным и выходным соединениям импульсных преобразователей, а также последовательно силовым ключам, как видно из рис. 1.

Рис. 1. Типовая схема синхронных понижающих преобразователей с использованием ферритовых бусин

Поскольку главным недостатком размещения ферритовых бусин на рис. 1 является прохождение через них больших токов, номинальные сопротивления этих устройств по постоянному току должны соответствовать требованиям к мощности рассеивания. Кроме того, необходимо также учитывать рассеиваемую мощность устройствами при преобразовании высокочастотного звона в тепло. Величину рассеиваемой мощности высокочастотных токов трудно рассчитать, т. к. амплитуда сигналов почти полностью зависит от паразитных элементов. На практике ферритовые бусины выбираются так, чтобы их номинальный ток в два раза превышал фактическое максимальное значение тока через эти элементы. При небольшой мощности применяются недорогие устройства для поверхностного монтажа, но при высоких значениях мощности необходимо параллельно устанавливать большие ферриты, что приводит к удорожанию схемы и уменьшению свободного места на плате.

В статье рассматриваются ферритовые бусины типоразмеров 0603 и 0805, которые позволяют уменьшить скорость нарастания фронта в переходных процессах при коммутации MOSFET верхнего плеча в синхронном понижающем преобразователе, что, в свою очередь, позволяет уменьшить амплитуду и продолжительность звона. В частности, уменьшение скорости нарастания фронта импульсов обеспечивает превосходные результаты; при этом лишь незначительно возрастают потери на переключение. Эта задача решается путем тщательного выбора и настройки сопротивления, установленного в цепь затвора MOSFET или вывода с положительным напряжением питания для затвора в управляющей цепи. Однако ферритовая бусина того же размера, что и резистор, так же или даже лучше справляется с поставленной задачей. Выбор бусины осуществляется с помощью ее технического описания, что намного сокращает время испытаний.

Установка бусины последовательно бутстрепной схеме

На рис. 2 показаны два возможных способа реализации элемента, ограничивающего скорость нарастания фронта импульсов: в цепь затвора MOSFET верхнего плеча или последовательно бутстрепной цепи. Второй способ предпочтительнее по трем основным причинам. Во‑первых, при его использовании ограничивается только скорость восходящего фронта, благодаря чему экономится расходуемая мощность, т. к. в каждом цикле замедляется только один переходный процесс (при его замедлении, как известно, увеличиваются потери на переключение). Во‑вторых, замедление скорости нарастания восходящего фронта управляющего MOSFET в синхронном понижающем преобразователе может стать причиной возникновения нежелательного сквозного тока между шинами питания, когда оба MOSFET одномоментно находятся во включенном состоянии. В‑третьих, если резистор затвора можно задействовать, только если MOSFET не встроен в преобразователь, то бутстрепный вывод доступен при использовании большинства понижающих регуляторов с собственными MOSFET, что повышает применимость этого метода для управляющих микросхем многих других типов.

Рис. 2. Резисторы на затворе уменьшают время нарастания и спада импульсов, тогда как резисторы RBOOT в бутстрепной цепи замедляют лишь нарастающий фронт

Выбор ферритовой бусины

Для рассматриваемого приложения предлагается демо-плата DC501A с синхронным понижающим контроллером LTC3703 Linear Technology. Упрощенная схема его использования показана на рис. 3а, а на рис. 3б — полная схема.

Рис. 3. а) В упрощенной схеме, используемой в демо-плате DC501, имеется элемент R2 для ограничения скорости нарастания фронта импульсов; б) полная схема

Измерение частоты звона

Рассмотрим схему преобразователя, в которой отсутствуют элементы, ограничивающие скорость нарастания фронта. Как видно из рисунка 3а, типовое значение входного напряжения этого преобразователя составляет 48 В, выходное — 12 В, а максимальный выходной ток — 6 А. Для захвата восходящего фронта сигнала коммутационного узла следует выбрать полную полосу пропускания осциллографа. Воспользуемся пробником с пружинными наконечниками, который поставляется вместе с вольтметровыми щупами для осциллографов, чтобы минимизировать поступление излучаемых помех в контуре, образованном наконечником и гибким заземляющим проводом. Для испытаний было выбрано приспособление с секцией из трех выводов, находящихся на расстоянии 2,54 мм друг от друга, с центральным усеченным выводом (рис. 4). Вместо отсутствующего или утерянного пружинного наконечника можно с успехом задействовать кусок неизолированного провода длиной 0,5–0,75 мм, обвитого вокруг корпуса пробника.

Рис. 4. Корректное измерение напряжения с малым уровнем шума. Желтым кружком обозначен вывод с входным напряжением, розовым — вывод с выходным напряжением, бирюзовым — коммутационный узел

На рис. 5 масштаб отображения сигнала выбран так, чтобы можно было легко измерить частоту звона. В данном случае она равна 150 МГц.

Рис. 5. Результаты измерения схемы без элементов управления скоростью нарастающего фронта показали, что период звона равен 6,64 нс, что соответствует частоте 150 МГц

Расчет или измерение среднего бутстрепного тока

Средний бутстрепный ток силового MOSFET верхнего плеча рассчитывается следующим образом:

В рассматриваемом примере преобразователь работает на частоте 260 кГц, а величина максимального заряда на затворе равна 41 нКл. Исходя из того, что длительность переднего фронта импульса при коммутации составляет 1% периода сигнала, для образования максимального заряда затвора 41 нКл средний ток во включенном состоянии MOSFET равен примерно 5,3 мА:

В сигнал бутстрепного тока также входят импульсные помехи, возникающие при переключении тока MOSFET величиной 1 А или больше. Поскольку их продолжительность не превышает 100 нс, а вклад в разогревание феррита минимальный, ими можно пренебречь.

Рис. 6. Звон схемы демо-платы DC501A в отсутствие схемы по управлению скоростью нарастания сигнала при: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; IOUT = 6 A. Кан. 1 = VIN связан. по перем. току, кан. 2 — коммут. узел, кан. 3 = VOUT AC

Выбор феррита с максимальным сопротивлением на частоте звона

Ферритовые бусины для поверхностного монтажа серии WE-CBF от компании Würth Elektronik выпускаются с типоразмерами 0402–1812, а благодаря серийному производству у серии 0603 очень привлекательная цена. (Заметим, что в серии WE-TMSB имеются миниатюрные ферритовые бусины.) Несмотря на свои малые размеры, даже компоненты серии 0603 с максимальным сопротивлением при 150 МГц могут работать со средним током 50 мА и тем более с управляющим током 5 мА, как в рассматриваемом примере. На рис. 6–9 сравнивается работа исходной схемы без элемента управления скоростью нарастания фронта со стандартным резистором 16,2 Ом, с ферритовой бусиной 74279265 (типоразмер: 0603; ном. сопротивление: 600 Ом при 150 МГц), а затем с ферритовой бусиной 742792693 (типоразмер: 0603; ном. сопротивление: 2200 Ом при 100 МГц; на 150 МГц сопротивление равно примерно 1500 Ом).

Рис. 7. Звон схемы демо-платы DC501A при использовании толстопленочного резистора R2 величиной 16,2 Ом: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; IOUT = 6 A. Кан. 1 = VIN связан. по перем. току; кан. 2 — коммут. узел; кан. 3 = VOUT AC

Рис. 8. Звон схемы демо-платы DC501A при использовании 600-Ом феррита 74279265 типоразмера 0603: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; IOUT = 6 A. Кан. 1 = VIN связан. по перем. току; кан. 2 — коммут. узел; кан. 3 = VOUT AC

Рис. 9. Звон схемы демо-платы DC501A при использовании 2200-Ом феррита 74279263 типоразмера 0603: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; IOUT = 6 A. Кан. 1 = VIN связан. по перем. току; кан. 2 — коммут. узел; кан. 3 = VOUT AC

Это устройство с максимальным сопротивлением на частоте звона позволяет наилучшим образом уменьшить не только амплитуду, но и продолжительность нежелательных колебаний (рис. 10), а его выбор не представляет особого труда и осуществляется с помощью соответствующих технических описаний.

Рис. 10. Сравнение напряжений коммутационного узла

На рис. 11 показаны типовые частотные характеристики реактивного сопротивления, активного сопротивления и импеданса ферритовых бусин 74279265 (600 Ом) и 742792693 (2200 Ом). На всякий случай напомним, что на количество тепла, образующегося за счет преобразования высокочастотного сигнала, влияет активное (омическое) сопротивление.

Рис. 11. Типовые частотные характеристики реактивного и активного сопротивлений, а также импеданса ферритовых бусин: а) 74279265 и б) 742792693

Потери мощности и ее рассеивание

При управлении крутизной сигнала достигается некий компромисс между уменьшением ЭМП и растущими потерями. Замедление скорости нарастания сигнала при переключении MOSFET может привести к перегреву этого ключа, снижению общей эффективности до неприемлемого уровня. В таблице 1 представлены значения входного тока и КПД рассматриваемой схемы без элемента управления крутизной сигнала, с подобранной величиной R2 = 16,2 Ом и с двумя ферритовыми бусинами.

Несмотря на то, что для повышения электромагнитной совместимости потребовалось немного уменьшить КПД, применение феррита с номинальным сопротивлением 2200 Ом имеет небольшое преимущество по эффективности ограничения скорости нарастания и уменьшения звона по сравнению с использованием резистора.

Рис. 12. Осциллограмма излучаемых ЭМП демо-платы DC501A без элемента управления крутизной сигнала: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; нагрузка = 2 Ом

Анализ излучаемых помех

В этом разделе рассматривается соответствие излучаемых электромагнитных помех демо-платы DC501A стандарту EN55022 по ЭМС для ИТ-оборудования. На рис. 12–15 представлены частотные развертки излучаемых ЭМП демо-платы DC501A для рассматриваемых четырех случаев: без ограничивающего элемента, с ограничивающим элементом R2, а также с использованием двух ферритовых бусин с разными сопротивлениями. На рис. 16 сравниваются все указанные развертки, а в таблице 2 приводятся уровни излучаемых ЭМП в диапазоне 150 МГц в зависимости от используемых ограничивающих элементов.

Рис. 13. Частотная развертка излучаемых ЭМП демо-платы DC501A с R2 = 16,2 Ом: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; нагрузка = 2 Ом

Рис. 14. Частотная развертка излучаемых ЭМП демо-платы DC501A с R2 = 600 Ом и ферритом 0603: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; нагрузка = 2 Ом

Рис. 15. Частотная развертка излучаемых ЭМП демо-платы DC501A с R2 = 2200 Ом и ферритом 0603: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; нагрузка = 2 Ом

Рис. 16. Сравнение разверток излучаемых ЭМП при использовании платы DC501A

В своей совокупности, развертки излучаемых ЭМП подтверждают данные, взятые из частотной области: правильно подобранный резистор, установленный последовательно положительному выводу питания бутстрепной схемы, уменьшает квазипиковые и усредненные уровни излучаемых помех примерно на 10 дБмкВ, а ферритовая бусина с максимальным сопротивлением на основной частоте шума работает не хуже, а часто и лучше этого резистора.

Управление включением и выключением в драйверах затвора в нижнем плече

Управление скоростью нарастания фронтов импульсов осуществляется и с помощью выводов затвора других импульсных преобразователей. При этом необходимо учитывать положение ограничивающего элемента относительно затворов MOSFET и IGBT. К другим топологиям с ключами в верхнем плече относятся однотактный прямоходовой полумостовой и мостовой преобразователи. При их использовании необходимо устанавливать элемент управления затвором последовательно выводу положительного питания драйвера затвора с плавающей землей. Однако в каждой из этих топологий применяется также, по крайней мере, один ключ нижнего плеча, а в повышающих, обратноходовых, прямоходовых и пушпульных преобразователях используются только ключи нижнего плеча. Как правило, нарастающий фронт сигналов требует управления, а продолжительность спадающего фронта должна быть как можно меньше. Относительно малое количество управляющих ИС оснащено специализированным выводом для управления положительным выводом источника питания их драйверов ключей нижнего уровня, тогда как в большинстве случаев наилучшим решением является установка небольшого диода Шоттки параллельно элементу управления крутизной импульсов. При этом оба подключаются к затвору, как видно из рис. 17.

Рис. 17. Антипараллельный диод Шоттки обеспечивает управление включением, не оказывая влияния на выключение в цепях управления затвором ключей в нижнем плече

Выводы

Ферритовые бусины, установленные последовательно бутстрепному выводу понижающего преобразователя, представляют собой эффективные компоненты по ограничению звона. Эти бусины ослабляют высокочастотный шум, не занимая большого места на печатных платах и не ухудшая эффективность решения. Их преимущества над резисторами заключаются в простоте выбора и малом времени тестирования. Несколько более высокая стоимость феррита 0603 по сравнению с толстопленочным резистором того же типоразмера компенсируется использованием более компактных, легких и недорогих фильтров на входах и выходах импульсных преобразователей. Снабберным схемам, установленным последовательно или параллельно коммутационным элементам, не приходится рассеивать достаточно большую мощность, что позволяет повысить эффективность, уменьшить рабочую температуру, стоимость решения и место, занимаемое на печатной плате.

Многослойные ферритовые чип-фильтры компании Chilisin

Ферритовые чип-фильтры предназначены для подавления электромагнитных помех в различных узлах электронной аппаратуры, где используются высокая плотность монтажа компонентов, высокие рабочие частоты, где требуется обеспечение высокого уровня помехоустойчивости и снижение уровня ЭМИ. Тайванская компания Chilisin Electronics Co., Ltd, используя самые современные технологии, выпускает широкую номенклатуру многослойных ферритовых чип-фильтров с отличным соотношением «цена-качество».

Ферритовый фильтр является пассивным электрическим компонентом, использующимся для подавления высокочастотных помех в электрических цепях. Ферритовые фильтры-бусины (ferrite-beads) имеют конструкцию в виде ферритового полого цилиндра, кольца или тора, внутри которого проходит токовый проводник. Для увеличения индуктивности ферритового фильтра может использоваться и многовитковая тороидальная обмотка. Ферритовые фильтры используются как на сигнальных проводах для ослабления внешних помех, так и на проводах питания для уменьшения в них собственных ВЧ-помех.

Многослойные ферритовые чип-фильтры

Для поверхностного монтажа конструкция ферритовых фильтров реализуется посредством применения технологии многослойной пленочной структуры. Для увеличения эффективности фильтров в малых объемах требуется индуктивность высокой плотности. Для этого используется интегральная обмотка, выполненная на многослойной пленочной структуре.

На каждом слое тонкой подложки формируется пленочная структура полувитка обмотки. На двух слоях выполняется один виток обмотки. При спекании десятков или сотен слоев производится соединение секций проводников, в результате чего формируется объемная катушка с ферритовым стержнем внутри. Слои могут располагаться как в горизонтальной плоскости (типовая конструкция), так и в вертикальной (фильтры для СВЧ-диапазона свыше 1 ГГц). На рисунке 1 показаны топологии слоев в структуре ферритового чип-фильтра.

Рис. 1. Горизонтальная (а) и вертикальная (б) топологии расположения слоев в структуре ферритового чип-фильтра

Применение вертикальной структуры позволяет уменьшить паразитную емкость между витками многослойной структуры и электродами. За счет этого удается расширить рабочую полосу частот чип-фильтра.

В структуре используются марганец-цинковые и никель-цинковые пленки ферритов. Применение различных ферритовых материалов, размеров, а также топологии слоев обеспечивает получение чип-фильтров с различными параметрами.

Рис. 2. Структура многослойного ферритового чип-фильтра

На рисунке 2 показана структура чип-фильтра с горизонтальной топологией слоев интегральной обмотки.

Использование дополнительной структуры катушки вместо обычного монолитного ферритового стержня позволяет увеличить импеданс при меньших габаритах. В действительности определенная часть ферритовых чип-фильтров устроена именно как ферритовый стержень с двумя электродами.

Ферритовые чип-фильтры для фильтрации электромагнитных помех изготавливаются по многослойной технологии, использующей никель-цинковые ферромагнитные материалы. На рисунке 3 показана структура и процесс формирования многослойных ферритовых чип-фильтров. Структура катушки формируется в нескольких слоях ферритового материала.

Рис. 3. Технология и конструкция ферритовых чип-фильтров

Рис. 4. Внешний вид ферритовых чип-фильтров Chilisin

Технология производства многослойных ферритовых ЭМИ-фильтров точно такая же, как и для производства многослойных чип-индуктивностей. Только в них для формирования ферритовых слоев используются различные типы материалов. Для ферритовых чип-фильтров используется материал с большим поглощением, а для чип-индуктивностей, наоборот, с меньшим поглощением на высоких частотах.

Ферритовые чип-фильтры внешне очень похожи на керамические конденсаторы. На рисунке 4 показан внешний вид ферритового чип-фильтра Chilisin.

Основные параметры ферритовых чип-фильтров Chilisin

Основными параметрами, по которым производится выбор чип-фильтров являются: рабочий диапазон частот, импеданс на тестовой частоте 100 МГц (в Ом), сопротивление на постоянном токе (в Ом), максимально допустимый ток, допустимое отклонение импеданса от номинала, форм-фактор (размеры корпуса), а также рабочий температурный диапазон.

Номинальный импеданс приводится, как правило, на частоте 100 МГц. Для СВЧ-диапазона приводятся типовые значения импеданса на частоте 1000 МГц.

Допустимое отклонение от номинала приводится в относительных единицах. Габариты, номинальное значение импеданса и разброс импеданса присутствуют в названии компонента. Для выбора необходимого фильтра важно знать и другие параметры, которые не даны в названии. Они приведены в технической документации на компонент. Это:

• сопротивление индуктивности по постоянному току (в Ом);
• предельный рабочий ток, при котором не происходит насыщение ферритового материала индуктивности (в мА);
• вид частотной характеристики импеданса.

В таблице 1 приведены возможные типоразмеры для ферритовых чип-фильтров Chilisin.

Таблица 1. Типоразмеры ферритовых чип-фильтров Chilisin

Номинальный ток

Это максимальный постоянный ток, который может протекать через чип-фильтр. Для ферритов определяется как ток, при котором нагрев компонента не превышает 20°C. При более высоких токах, протекающих через компонент, происходит насыщение феррита и, как следствие, снижение полного сопротивления до 25%.

Сопротивление постоянному току

Величина сопротивления постоянному току чип-фильтра зависит от длины чипа, числа слоев в феррите, толщины и конфигурации. Сопротивление измеряется при комнатной температуре. Чип-фильтры имеют сопротивление по постоянному току от нескольких мОм до нескольких Ом в зависимости от типа.

Частотные характеристики импеданса ферритовых чип-фильтров

Эквивалентная схема ферритового чип-фильтра – последовательно включенные индуктивность и сопротивление.

Величина сопротивления сильно зависит от частоты проходящего сигнала. Ферритовые ЭМИ-фильтры — это индуктивности с большими потерями на перемагничивание. Эта особенность и является основным отличием чип-фильтров от чип-индуктивностей.

Чип-фильтры изготавливаются из специальных ферритов с большими потерями на перемагничивание. Эта энергия выделяется в виде тепла. Тепло выделяется на активном сопротивлении, а не на индуктивности! Импеданс чип-фильтра определяется двумя компонентами: активной и реактивной. Формула для определения импеданса:

где R – активная компонента, а X – реактивная. Обе компоненты являются частотно-зависимыми. В документации на чип-индуктивность для каждой серии приводится частотные характеристики импеданса и его составляющих. На рисунке 5 показаны типовые частотные характеристики импеданса ферритового чип-фильтра. X — это реактивная часть импеданса, R — активная, Z — полный импеданс.

Рис. 5. Типовая частотная характеристика импеданса ферритового чип-фильтра

Как видно из рисунка, после 30 МГц активное сопротивление преобладает над реактивным. Ниже резонансной частоты полное сопротивление компонента по существу определено индуктивной составляющей. В диапазоне 50…100 МГц ситуация меняется. Активная составляющая потерь доминирует с увеличением частоты, а индуктивная составляющая стремится к нулю. Импеданс чип-фильтров увеличивается с частотой, что характерно и для чип-индуктивностей. Основной характеристикой импеданса индуктивности (Z) является реактивное сопротивление (X). С другой стороны, поскольку фильтр создан на базе ферритового материала, имеющего большие потери на высоких частотах, основной характеристикой в высокочастотном диапазоне является резистивная компонента (R). По сравнению с обычной индуктивностью, ферритовый чип-фильтр обладает лучшей способностью к поглощению энергии ЭМИ, обеспечивая эффект подавления высокочастотных шумов.

Система обозначений многослойных ферритовых чип -фильтров Chilisin

На рисунке 6 приведена система обозначений для ферритовых чип-фильтров Chilisin. Эта система обозначений применима для следующих серий чип-ферритовых ЭМИ-фильтров Chilisin: SB, GB, PB, UPB, NB, HF, VPB.

Рис. 6. Cистема обозначений для многослойных ферритовых чип-фильтров Chilisin

• название серии определяется технологией, а также особенностями конструкции и применения;
• размеры корпуса: А,B,C, мм;
• тип упаковки: T (type reel) – в катушке, B (bulk) – россыпью;
• номинальное значение импеданса приводится на тестовой частоте 100 МГц, например, 10…1000 Ом;
• код разброса допустимых значений импеданса от номинального. Допустимое отклонение от номинала для разных групп дается в относительных единицах;
• коды отклонений: Y = ±25%; M = ±20%; T = ±30%.

Следует отметить, что для ферритовых ЭМИ-фильтров важна не столько высокая точность номинала импеданса, сколько точность значения индуктивности для ферритовых чип-индуктивностей.

В таблице 2 приведены основные параметры для различных серий ферритовых многослойных чип-фильтров, производимых Chilisin.

Таблица 2. Базовые параметры ферритовых чип-фильтров Chilisin

Типовые частотные характеристики импеданса ферритовых чип-фильтров

Для выбора подходящего чип-фильтра важно знать и учитывать частотную характеристику импеданса. Ниже, для справки, приведены типовые частотные характеристики импеданса для нескольких популярных серий чип-фильтров, применяемых для фильтрации в сигнальных цепях и цепях питания.

Серия GB

На рисунке 7 приведены типовые частотные характеристики серии GB.

Рис. 7. Частотная характеристика импеданса для серии чип-фильтров GB

С ростом частоты импеданс фильтра увеличивается. Фильтр применяется в относительно низкочастотных цепях с рабочими частотами до 1 ГГц.

Серия HF

В конструкции новой высокочастотной серии ферритовых чип-фильтров HF с полосой рабочих частот свыше 1 ГГц используется не продольное размещение слоев (горизонтальное), а поперечное (вертикальное). На рисунке 8 приведена частотная характеристика импеданса чип-фильтра серии HF100505T.

Рис. 8. Частотная характеристика импеданса для серии чип-фильтров HF

Импеданс на высоких частотах резко снижается. Эффективное подавление паразитных частот ЭМИ производится до частоты около 2…3 ГГц.

Чип-фильтр серии PBY

На рисунке 9 приведена частотная характеристика импеданса ферритового чип-фильтра серии PBY, предназначенного для применения в сильноточных цепях с рабочими токами до 6 А.

Рис. 9. Частотная характеристика фильтра серии PB для работы в сильноточных цепях питания

Выбор и применение чип-фильтров Chilisin

Для выбора оптимального типа ферритового чип-фильтра в первую очередь определяется спектр помех, требуемый уровень их подавления и диапазон рабочих токов. Исходя из условий применения, выбирается импеданс и допустимое сопротивление чип-фильтра по постоянному току. По полученным параметрам подбирается серия и тип чип-фильтра с требуемой полосой эффективного подавления помех. Значение тока и сопротивление особенно важны при установке чип-фильтров в цепях питания. В первую очередь нужно выбирать такие типы, которые обеспечивают работу фильтра без насыщения. Значение сопротивления на постоянном токе обеспечит минимальное падение напряжения.

В таблице 3 приведены рекомендуемые значения импедансов ферритовых чип-фильтров для применения в различных цепях электронной аппаратуры.

Таблица 3. Характерные значения импедансов для различных цепей

Типовыми применениями для ферритовых чип-фильтров является:

• фильтрация «звона» в линиях передачи данных;
• развязка питающего напряжения;
• развязка земли.

Фильтрующий эффект увеличивается при:

• использовании шунтирующих конденсаторов, подключаемых к земле. Выбор номинала конденсатора зависит от спектра помех и частоты затухания;
• низком выходном сопротивление источника.

Устанавливаются чип-фильтры, как правило, максимально близко к устройству-источнику помех, чтобы уменьшить эффективную длину провода-антенны с высокочастотным шумом.

Установка EMI-фильтров в местах подключения интерфейсных кабелей

Наибольшего подавления помех в интерфейсных кабелях можно добиться, используя в местах подключения кабелей ферритовые чип-фильтры. При разработке платы очень важно обеспечить минимальный импеданс на высоких частотах между земляным выводом (GND) ЭМП-фильтра на печатной плате и металлическим корпусом.

Фильтрация на шинах тактовых сигналов

Тактовые сигналы высокой частоты являются источниками ВЧ-помех. Частоты тактового сигнала и помехи могут быть расположены близко друг к другу. Поэтому необходимо использовать фильтры с высоким коэффициентом затухания и крутизной спадов АЧХ – ферритовые чип-фильтры для высокоскоростных линий передачи сигналов.

Установка EMI-фильтров на шинах передачи сигналов

Параллельные шины передачи данных содержат множество линий передачи сигналов, переключающихся одновременно. Изменение сигналов на шинах адреса и данных вызывает значительное увеличение импульсного тока, протекающего в цепях земли (GND) и питания. Поэтому необходимо ограничивать ток, протекающий по линиям передачи сигналов.

Установка чип-фильтров в местах подключения кабеля LVDS

Кабельное соединение материнской платы ноутбука с ЖК-дисплеем повышает уровень излучаемых компьютером помех за счет гармоник LVDS-сигналов и помех от интегральных микросхем, расположенных вдоль линии передачи сигналов. Так как частота передаваемых LVDS-сигналов достигает сотен мегагерц, то для предотвращения искажения формы сигналов и подавления синфазных помех рекомендуется использовать чип-фильтры серии NB. При передаче дифференциальных сигналов LVDS магнитные потоки, создаваемые протекающим током, взаимно компенсируются, что приводит к снижению уровня помех. Однако наличие отраженных сигналов может привести к неравенству токов, протекающих по парам проводников. В этом случае синфазные дроссели работают как трансформаторы для балансировки токов, что позволяет, в конечном счете, снизить уровень электромагнитных помех.

Подавление помех в интерфейсе с ЖК-дисплеем

Графический контроллер соединен с драйверами ЖК-дисплея множеством линий передачи сигналов, переключающихся одновременно. Эти переключения вызывают протекание по цепям питания и земли большого импульсного тока. Поэтому следует ограничивать ток в сигнальных линиях. Для этих целей хорошо подходят ферритовые чип-фильтры серии NB. На линиях тактовых сигналов, особенно работающих на высоких скоростях и при высоких уровнях помех, применяют фильтры серии HF или HP, обладающие высокими коэффициентом затухания и крутизной спадов АЧХ. Помехи, создаваемые переходными токами, возникают также в цепях питания. Поэтому для подавления помех в цепях питания устанавливаются ферритовые чип-фильтры, а также шунтирующие конденсаторы. В таблице 4 приведены примеры типовых применений ферритовых чип-фильтров в электронной аппаратуре.

Таблица 4. Типовые применения ферритовых чип-фильтров Chilisin различных серий

Совместимость и взаимозаменяемость

Технология производства многослойных ферритовых чип-фильтров, используемая компанией Chilisin, полностью соответствует технологии многослойных ферритовых чип-фильтров, используемых ведущими производителями, такими как TDK, Murata, T-Yuden, Vishay, Sumida, Kemet. Ферритовые чип-фильтры Chilisin по своим параметрам полностью идентичны чип-фильтрам других производителей, и могут быть рекомендованы в качестве альтернативной замены. Представленные в таблице 5 серии ферритовых чип-фильтров являются полными или близкими аналогами соответствующих компонентов Chilisin.

Таблица 5. Соответствие аналогов ферритовых чип-фильтров Chilisin различных производителей

Ферритовый шарик — Ferrite bead

Ферритовый шарик на конце кабеля Mini USB

A ферритовый шарик (также известный как ферритовый блок, ферритовый сердечник, ферритовое кольцо, фильтр электромагнитных помех или ферритовый дроссель) — это тип дросселя, который подавляет высокочастотный электронный шум в электронных схемах..

Ферритовые шарики используют рассеивание высокочастотного тока в ферритовой керамике для создания устройств подавления высокочастотного шума.

Содержание

• 1 Использование
• 2 Принцип действия
• 3 См. Также
• 4 Ссылки
• 5 Внешние ссылки

Использование

Ферритовый валик со снятой пластиковой оболочкой

Ферритовые шарики предотвращают электромагнитные помехи (EMI) в двух направлениях: от устройства или к устройству. Токопроводящий кабель действует как антенна — если устройство производит радиочастотную энергию, она может передаваться по кабелю, который действует как непреднамеренный излучатель. В этом случае буртик требуется для соответствия нормативным требованиям, чтобы уменьшить EMI. И наоборот, если есть другие источники электромагнитных помех, такие как бытовая техника, бортик не позволяет кабелю действовать как антенна и принимать помехи от этих других устройств. Это особенно характерно для кабелей передачи данных и медицинского оборудования.

Большие ферритовые бусины часто встречаются на внешних кабелях. Различные ферритовые бусины меньшего размера используются внутри цепей — на проводниках или вокруг контактов небольших компонентов печатной платы, таких как транзисторы, разъемы и интегральные схемы.

На проводах, предназначенных для использования в качестве проводников постоянного тока, бусинки могут блокировать низкий уровень непреднамеренная радиочастотная энергия, действуя как фильтр нижних частот. На несимметричных коаксиальных линиях передачи (например, USB-кабели и видеокабели) кабель предназначен для сдерживания сигнала, и можно использовать шарики для блокировки паразитного синфазного тока от использования кабель в качестве антенны, не мешая сигналу, передаваемому внутри кабеля. В этом случае шарик представляет собой простую форму балуна.

Ферритовый шарик — один из самых простых и наименее дорогих типов интерференционных фильтров для установки на уже существующие электронные кабели. В случае простого ферритового кольца провод просто наматывают вокруг сердечника через центр, обычно пять или семь раз. Также доступны зажимные сердечники, которые крепятся без обертывания провода: ферритовый сердечник этого типа обычно конструируется так, что провод проходит через него только один раз. Если прилегание недостаточно плотное, сердечник можно закрепить с помощью кабельных стяжек или, если центр достаточно велик, кабели можно пропустить один или несколько раз. (Обратите внимание, однако, что, хотя каждая петля увеличивает импеданс до высоких частот, он также сдвигает частоту наивысшего импеданса на более низкую частоту.) Небольшие ферритовые шарики могут скользить по компоненту, что приводит к подавлению паразитных колебаний.

Доступны ферритовые бусины для поверхностного монтажа. Они впаиваются в щель на дорожке печатной платы, как и любой другой индуктор для поверхностного монтажа. Внутри шарикового компонента катушка провода проходит между слоями феррита, образуя многооборотный индуктор вокруг сердечника с высокой магнитной проницаемостью.

Принцип работы

ВЧ-индуктор, намотанный на ферритовый сердечник (не ферритовый шарик), и ферритовый шарик для крепления на печатной плате

Ферритовые шарики используются в качестве пассивного фильтра нижних частот, по своей конструкции преобразовывая радиочастотную энергию в тепло. (Сравните это с индукторами, которые по своей конструкции минимизируют преобразование радиочастотной энергии в тепло, обеспечивая высокий импеданс радиочастотному излучению.)

Геометрия и электромагнитные свойства спиральной проволоки по сравнению с ферритовым валиком. в импедансе для высокочастотных сигналов, ослабляя высокочастотный EMI / RFI электронный шум. Энергия либо отражается обратно по кабелю, либо рассеивается в виде тепла низкого уровня. Лишь в крайнем случае заметен жар.

Чистая катушка индуктивности не рассеивает энергию, но создает реактивное сопротивление, которое препятствует прохождению более высокочастотных сигналов. Это реактивное сопротивление обычно называют просто импедансом, хотя импеданс может представлять собой любую комбинацию сопротивления и реактивного сопротивления.

Набор защелкивающихся / фиксируемых ферритовых шариков

Ферритовый шарик может быть добавлен к катушке индуктивности для улучшения двумя способами его способности блокировать нежелательный высокочастотный шум. Во-первых, феррит концентрирует магнитное поле, увеличивая индуктивность и, следовательно, реактивное сопротивление, что препятствует или «отфильтровывает» шум. Во-вторых, если феррит сконструирован таким образом, он может вызвать дополнительные потери в виде сопротивления в самом феррите. Феррит создает катушку индуктивности с очень низкой добротностью . Эта потеря приводит к нагреву феррита, как правило, незначительно. Хотя уровень сигнала достаточно велик, чтобы вызывать помехи или нежелательные эффекты в чувствительных цепях, блокируемая энергия обычно довольно мала. В зависимости от области применения характеристики резистивных потерь феррита могут быть желательными или нежелательными.

Конструкция, в которой для улучшения фильтрации шума используется ферритовый шарик, должна учитывать конкретные характеристики схемы и частотный диапазон, который необходимо блокировать. Различные ферритовые материалы имеют разные свойства в отношении частоты, и литература производителя помогает выбрать наиболее эффективный материал для диапазона частот. Обычно материал, используемый в шариках, представляет собой порошкообразный феррит со смесью размеров зерен, регулируемой для управления диапазоном частот, поглощаемых или блокируемых, и минимизации накопления магнитного поля. Сравните это с индукторами и трансформаторами, в которых используются твердые или многослойные железные или медные сердечники для хранения магнитных полей и максимальной передачи энергии.