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Une situation courante : un ingénieur concepteur insère une perle de ferrite dans un circuit rencontrant des problèmes de CEM, pour constater que la perle aggrave en réalité les bruits indésirables. Comment est-ce possible ? Les perles de ferrite ne devraient-elles pas éliminer l'énergie du bruit sans aggraver le problème ?
La réponse à cette question est assez simple, mais elle peut ne pas être largement comprise, sauf pour ceux qui passent la plupart de leur temps à résoudre des problèmes EMI. En termes simples, les perles de ferrite ne sont pas des perles de ferrite, ni des perles de ferrite, etc. La plupart des fabricants de perles de ferrite proposent un tableau qui répertorie leur numéro de pièce, leur impédance à une fréquence donnée (généralement 100 MHz), leur résistance CC (DCR), leur courant nominal maximal et certaines informations sur les dimensions (voir tableau 1). Tout est presque standard. Ce qui n'est pas indiqué dans les données La feuille contient les informations sur le matériau et les caractéristiques de performance en fréquence correspondantes.
Les perles de ferrite sont un dispositif passif qui peut éliminer l'énergie sonore du circuit sous forme de chaleur. Les perles magnétiques génèrent une impédance dans une large plage de fréquences, éliminant ainsi tout ou partie de l'énergie sonore indésirable dans cette plage de fréquences. Pour les applications de tension continue ( comme la ligne Vcc d'un circuit intégré), il est souhaitable d'avoir une faible valeur de résistance CC pour éviter d'importantes pertes de puissance dans le signal et/ou la source de tension ou de courant requis (perte I2 x DCR). Cependant, il est souhaitable d'avoir haute impédance dans certaines plages de fréquences définies. Par conséquent, l'impédance est liée au matériau utilisé (perméabilité), à la taille de la perle de ferrite, au nombre d'enroulements et à la structure de l'enroulement. Évidemment, dans une taille de boîtier donnée et un matériau spécifique utilisé , plus il y a d'enroulements, plus l'impédance est élevée, mais comme la longueur physique de la bobine interne est plus longue, cela produira également une résistance CC plus élevée. Le courant nominal de ce composant est inversement proportionnel à sa résistance CC.
L'un des aspects fondamentaux de l'utilisation de billes de ferrite dans les applications EMI est que le composant doit être en phase de résistance. Qu'est-ce que cela signifie ? En termes simples, cela signifie que « R » (résistance AC) doit être supérieur à « XL » (résistance inductive). réactance). Aux fréquences où XL> R (fréquence inférieure), le composant ressemble plus à une inductance qu'à une résistance. À la fréquence de R> XL, la pièce se comporte comme une résistance, ce qui est une caractéristique requise des billes de ferrite. La fréquence à laquelle « R » devient plus grand que « XL » est appelée fréquence de « croisement ». Ceci est illustré sur la figure 1, où la fréquence de croisement est de 30 MHz dans cet exemple et est marquée par une flèche rouge.
Une autre façon de voir les choses est de considérer ce que le composant effectue réellement pendant ses phases d'inductance et de résistance. Comme pour d'autres applications où l'impédance de l'inductance n'est pas adaptée, une partie du signal entrant est réfléchie vers la source. Fournit une certaine protection à l'équipement sensible de l'autre côté de la perle de ferrite, mais il introduit également un « L » dans le circuit, ce qui peut provoquer une résonance et une oscillation (sonnerie). Par conséquent, lorsque les perles magnétiques sont encore de nature inductive, une partie Une partie de l'énergie sonore sera réfléchie et une partie de l'énergie sonore passera, en fonction des valeurs d'inductance et d'impédance.
Lorsque la perle de ferrite est dans sa phase résistive, le composant se comporte comme une résistance, il bloque donc l'énergie du bruit et absorbe cette énergie du circuit, et l'absorbe sous forme de chaleur. Bien que construit de la même manière que certains inducteurs, en utilisant le même processus, la même ligne de production et la même technologie, les mêmes machines et certains des mêmes matériaux constitutifs, les perles de ferrite utilisent des matériaux de ferrite avec perte, tandis que les inducteurs utilisent un matériau d'oxygène de fer à faible perte. Ceci est illustré dans la courbe de la figure 2.
La figure montre [μ''], qui reflète le comportement du matériau des billes de ferrite avec perte.
Le fait que l'impédance soit donnée à 100 MHz fait également partie du problème de sélection. Dans de nombreux cas d'EMI, l'impédance à cette fréquence n'est pas pertinente et trompeuse. La valeur de ce « point » n'indique pas si l'impédance augmente, diminue , devient plat et l'impédance atteint sa valeur maximale à cette fréquence, et si le matériau est toujours dans sa phase d'inductance ou s'il s'est transformé en phase de résistance. En fait, de nombreux fournisseurs de perles de ferrite utilisent plusieurs matériaux pour la même perle de ferrite, ou au moins comme indiqué dans la fiche technique. Voir la figure 3. Les 5 courbes de cette figure concernent différentes billes de ferrite de 120 ohms.
Ensuite, ce que l'utilisateur doit obtenir est la courbe d'impédance montrant les caractéristiques de fréquence de la perle de ferrite. Un exemple de courbe d'impédance typique est présenté à la figure 4.
La figure 4 montre un fait très important. Cette pièce est désignée comme une perle de ferrite de 50 ohms avec une fréquence de 100 MHz, mais sa fréquence de croisement est d'environ 500 MHz et elle atteint plus de 300 ohms entre 1 et 2,5 GHz. Encore une fois, juste consulter la fiche technique ne permettra pas à l'utilisateur de le savoir et peut être trompeur.
Comme le montre la figure, les propriétés des matériaux varient. Il existe de nombreuses variantes de ferrite utilisées pour fabriquer des billes de ferrite. Certains matériaux sont à perte élevée, à large bande, à haute fréquence, à faible perte d'insertion, etc. La figure 5 montre le regroupement général par fréquence et impédance d'application.
Un autre problème courant est que les concepteurs de circuits imprimés sont parfois limités à la sélection de billes de ferrite dans leur base de données de composants approuvés. Si l'entreprise ne dispose que de quelques billes de ferrite approuvées pour une utilisation dans d'autres produits et jugées satisfaisantes, dans de nombreux cas, il n'est pas nécessaire d'évaluer et d'approuver d'autres matériaux et numéros de pièces. Dans un passé récent, cela a conduit à plusieurs reprises à certains effets aggravants du problème de bruit EMI original décrit ci-dessus. La méthode précédemment efficace peut être applicable au projet suivant, ou elle peut ne pas être efficace. Vous ne pouvez pas simplement suivre la solution EMI du projet précédent, en particulier lorsque la fréquence du signal requis change ou la fréquence des composants rayonnants potentiels tels que l'équipement d'horloge change.
Si vous regardez les deux courbes d'impédance de la figure 6, vous pouvez comparer les effets matériels de deux pièces désignées similaires.
Pour ces deux composants, l'impédance à 100 MHz est de 120 ohms. Pour la partie de gauche, utilisant le matériau « B », l'impédance maximale est d'environ 150 ohms, et elle est réalisée à 400 MHz. Pour la partie de droite , en utilisant le matériau « D », l'impédance maximale est de 700 ohms, ce qui est atteint à environ 700 MHz. Mais la plus grande différence est la fréquence de croisement. Le matériau « B » à perte ultra élevée effectue des transitions à 6 MHz (R> XL) , tandis que le matériau « D » à très haute fréquence reste inductif à environ 400 MHz. Quelle pièce est la bonne à utiliser ? Cela dépend de chaque application individuelle.
La figure 7 montre tous les problèmes courants qui surviennent lorsque les mauvaises billes de ferrite sont sélectionnées pour supprimer les interférences électromagnétiques. Le signal non filtré montre un sous-dépassement de 474,5 mV sur une impulsion de 3,5 V, 1 uS.
En raison de l'utilisation d'un matériau de type à haute perte (tracé central), le sous-dépassement de la mesure augmente en raison de la fréquence de croisement plus élevée de la pièce. Le sous-dépassement du signal est passé de 474,5 mV à 749,8 mV. Le matériau à très haute perte a un faible fréquence de croisement et bonnes performances. Ce sera le bon matériau à utiliser dans cette application (photo de droite). Le sous-dépassement utilisant cette pièce est réduit à 156,3 mV.
À mesure que le courant continu traversant les billes augmente, le matériau du noyau commence à saturer. Pour les inductances, cela est appelé courant de saturation et est spécifié sous forme de pourcentage de baisse de la valeur de l'inductance. Pour les billes de ferrite, lorsque la pièce est en phase de résistance, le L'effet de saturation se reflète dans la diminution de la valeur d'impédance avec la fréquence. Cette baisse d'impédance réduit l'efficacité des billes de ferrite et leur capacité à éliminer le bruit EMI (AC). La figure 8 montre un ensemble de courbes de polarisation CC typiques pour les billes de ferrite.
Sur cette figure, la perle de ferrite est évaluée à 100 ohms à 100 MHz. Il s'agit de l'impédance typique mesurée lorsque la pièce n'a pas de courant continu. Cependant, on peut voir qu'une fois qu'un courant continu est appliqué (par exemple, pour IC VCC entrée), l'impédance effective chute fortement. Dans la courbe ci-dessus, pour un courant de 1,0 A, l'impédance effective passe de 100 ohms à 20 ohms. 100 MHz. Peut-être pas trop critique, mais quelque chose auquel l'ingénieur de conception doit prêter attention. De même, en utilisant uniquement les données caractéristiques électriques du composant dans la fiche technique du fournisseur, l'utilisateur n'aura pas conscience de ce phénomène de polarisation DC.
Comme les inducteurs RF haute fréquence, la direction d'enroulement de la bobine interne dans la perle de ferrite a une grande influence sur les caractéristiques de fréquence de la perle. La direction d'enroulement affecte non seulement la relation entre l'impédance et le niveau de fréquence, mais modifie également la réponse en fréquence. Sur la figure 9, deux billes de ferrite de 1 000 ohms sont représentées avec la même taille de boîtier et le même matériau, mais avec deux configurations d'enroulement différentes.
Les bobines de la partie gauche sont enroulées sur le plan vertical et empilées dans le sens horizontal, ce qui produit une impédance et une réponse en fréquence plus élevées que la partie du côté droit enroulée dans le plan horizontal et empilées dans le sens vertical. Ceci est en partie dû à la réactance capacitive inférieure (XC) associée à la capacité parasite réduite entre la borne d'extrémité et la bobine interne. Un XC inférieur produira une fréquence d'auto-résonance plus élevée, puis permettra à l'impédance de la perle de ferrite de continuer à augmenter jusqu'à ce qu'elle atteint une fréquence d'auto-résonance plus élevée, qui est supérieure à la structure standard de la perle de ferrite La valeur d'impédance. Les courbes des deux perles de ferrite de 1 000 ohms ci-dessus sont illustrées à la figure 10.
Pour montrer davantage les effets d'une sélection correcte et incorrecte des billes de ferrite, nous avons utilisé un simple circuit de test et une carte de test pour démontrer la plupart du contenu discuté ci-dessus. Dans la figure 11, la carte de test montre les positions de trois billes de ferrite et les points de test marqués. «A», «B» et «C», qui sont situés à distance du dispositif de sortie de l'émetteur (TX).
L'intégrité du signal est mesurée du côté sortie des billes de ferrite dans chacune des trois positions, et est répétée avec deux billes de ferrite constituées de matériaux différents. Le premier matériau, un matériau « S » avec perte basse fréquence, a été testé à des points « A », « B » et « C ». Ensuite, un matériau « D » de fréquence plus élevée a été utilisé. Les résultats point à point utilisant ces deux billes de ferrite sont présentés dans la figure 12.
Le signal non filtré « passant » est affiché dans la rangée du milieu, montrant respectivement un dépassement et un dépassement inférieur sur les fronts montant et descendant. On peut voir qu'en utilisant le matériau approprié pour les conditions de test ci-dessus, le matériau avec perte de fréquence inférieure présente un bon dépassement. et une amélioration du signal sous-dépassement sur les fronts montants et descendants. Ces résultats sont présentés dans la rangée supérieure de la figure 12. Le résultat de l'utilisation de matériaux haute fréquence peut provoquer une sonnerie, qui amplifie chaque niveau et augmente la période d'instabilité. Ces résultats de tests sont indiqué sur la rangée du bas.
Lorsque l'on examine l'amélioration des EMI avec la fréquence dans la partie supérieure recommandée (Figure 12) dans le balayage horizontal illustré à la Figure 13, on peut voir que pour toutes les fréquences, cette partie réduit considérablement les pics EMI et réduit le niveau de bruit global à 30. à environ Dans la plage de 350 MHz, le niveau acceptable est bien inférieur à la limite EMI mise en évidence par la ligne rouge. Il s'agit de la norme réglementaire générale pour les équipements de classe B (FCC Part 15 aux États-Unis). Le matériau « S » utilisé dans les billes de ferrite est spécifiquement utilisé pour ces fréquences inférieures. On constate qu'une fois que la fréquence dépasse 350 MHz, le Le matériau « S » a un impact limité sur le niveau de bruit EMI d'origine non filtré, mais il réduit d'environ 6 dB un pic majeur à 750 MHz. Si la majeure partie du problème de bruit EMI est supérieure à 350 MHz, vous devez envisagez l'utilisation de matériaux en ferrite de fréquence plus élevée dont l'impédance maximale est plus élevée dans le spectre.
Bien sûr, toutes les sonneries (comme le montre la courbe inférieure de la figure 12) peuvent généralement être évitées par des tests de performances réels et/ou par un logiciel de simulation, mais nous espérons que cet article permettra aux lecteurs d'éviter de nombreuses erreurs courantes et de réduire le besoin de sélectionnez le bon temps de perle de ferrite et fournissez un point de départ plus « éclairé » lorsque des perles de ferrite sont nécessaires pour aider à résoudre les problèmes EMI.
Enfin, il est préférable d'approuver une ou plusieurs séries de billes de ferrite, et non seulement un seul numéro de pièce, pour plus de choix et une flexibilité de conception. Il convient de noter que différents fournisseurs utilisent des matériaux différents et que les performances de fréquence de chaque fournisseur doivent être revues. , surtout lorsque plusieurs achats sont effectués pour le même projet. C'est un peu facile de le faire la première fois, mais une fois les pièces entrées dans la base de données des composants sous un numéro de contrôle, elles peuvent ensuite être utilisées n'importe où. L'important est que les performances en fréquence des pièces provenant de différents fournisseurs soient très similaires pour éliminer la possibilité d'autres applications dans le futur. Le problème est survenu. Le meilleur moyen est d'obtenir des données similaires auprès de différents fournisseurs et d'avoir au moins une courbe d'impédance. Cela garantira également que les bonnes billes de ferrite sont utilisées pour résoudre votre problème EMI.
Chris Burket travaille chez TDK depuis 1995 et est aujourd'hui ingénieur d'application senior, prenant en charge un grand nombre de composants passifs. Il a été impliqué dans la conception de produits, les ventes techniques et le marketing. Burket a écrit et publié des articles techniques sur de nombreux forums. Burket a obtenu trois brevets américains sur des commutateurs et des condensateurs optiques/mécaniques.
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