Не все ферритовые бусины созданы равными

Распространенный сценарий: инженер-конструктор вставляет ферритовый шарик в схему, испытывающую проблемы с ЭМС, только для того, чтобы обнаружить, что шарик на самом деле стал причиной ХУЖЕ нежелательного шума. Как это может быть? Разве ферритовые шарики не должны удалять энергию шума и не усугублять проблему?

Ответ на этот вопрос довольно прост, но он может быть непонятен только тем, кто большую часть своего времени занимается решением проблем, связанных с электромагнитными помехами. Проще говоря, ферритовый шарик - это не ферритовый шарик, не ферритовый шарик и т. д. Большинство производителей ферритовых шариков предоставляют таблицу, в которой указаны их номер детали, полное сопротивление на некоторой заданной частоте (обычно 100 МГц), сопротивление постоянному току (DCR). , максимальный номинальный ток и некоторую информацию о размерах (см. Таблицу 1). Все вполне стандартные вещи. В таблице данных не показана информация о материалах и соответствующие характеристики производительности в зависимости от частоты.

Таблица 1. Типичная таблица данных ферритовых шариков

Ферритовый шарик — это пассивное устройство, которое отводит энергию шума из цепи в виде тепла. Шарик создает импеданс в широком диапазоне частот, который полностью или частично устраняет нежелательную энергию шума в этом диапазоне частот. Для приложений с постоянным напряжением (таких как линии Vcc для микросхем) желательно иметь низкое значение сопротивления постоянному току, чтобы не было больших потерь мощности в пределах желаемого сигнала и/или источника напряжения или тока (потери I2 x DCR). Однако желательно иметь высокий импеданс в определенном диапазоне частот. Следовательно, полное сопротивление зависит от используемого материала (проницаемость), размера ферритового шарика, количества обмоток и конструкции обмотки. Очевидно, что чем больше обмоток в корпусе данного размера и из конкретного используемого материала, тем выше импеданс, но это также приведет к более высокому сопротивлению постоянному току, поскольку физическая длина внутренней катушки больше. Номинальный ток детали обратно пропорционален ее сопротивлению постоянному току.

Одним из фундаментальных аспектов использования ферритовых шариков для защиты от электромагнитных помех является то, что компонент должен находиться в резистивной стадии. Что это значит? Проще говоря, это означает, что «R» (сопротивление переменному току) должно быть больше, чем «XL» (индуктивное реактивное сопротивление). На частотах, где XL > R (более низкие частоты), деталь ведет себя скорее как катушка индуктивности, чем как резистор. На частотах, где R > XL, деталь ведет себя как резистор, что является желаемым свойством ферритового шарика. Частота, при которой «R» становится больше «XL», называется частотой «перехода». Это показано на рисунке 1, где частота перехода (в данном примере 30 МГц) отмечена красной стрелкой.

Рисунок 1. Частота перехода

Другой способ взглянуть на это с точки зрения того, что на самом деле делает деталь на индуктивной и резистивной стадиях. Как и в других приложениях, где существует несогласование импедансов катушек индуктивности, часть введенного сигнала отражается обратно к источнику. Это может обеспечить некоторую защиту чувствительных устройств на другой стороне ферритового шарика, но также вводит букву «L» в схему, что может вызвать резонансы и колебания (звон). Таким образом, когда шарик все еще имеет индуктивную природу, часть энергии шума будет отражаться, а некоторый процент пройдет, в зависимости от значений индуктивности и импеданса.

Когда ферритовый шарик находится в состоянии резистивного состояния, компонент ведет себя, как уже говорилось, как резистор и, следовательно, препятствует передаче энергии шума и поглощает эту энергию из схемы, причем в виде тепла. Несмотря на то, что ферритовый шарик сконструирован таким же образом, как и некоторые индукторы, с использованием тех же процессов, производственных линий и технологий, оборудования и некоторых из тех же компонентов, материал, ферритовый шарик использует ферритовый материал с потерями, тогда как индуктор использует ферритовый материал с меньшими потерями. Это показано на кривых рисунка 2.

Рисунок 2: Отражение против поглощения

На этом рисунке показано значение [μ''], которое используется для отражения поведения материала ферритовых шариков с потерями.