Todas las perlas de ferrita no son iguales

Un escenario común: un ingeniero de diseño inserta una perla de ferrita en un circuito que experimenta problemas de EMC, solo para descubrir que la perla en realidad ha causado que el ruido no deseado sea PEOR. ¿Cómo puede ser esto? ¿No se supone que las perlas de ferrita eliminan la energía del ruido y no empeoran el problema?

La respuesta a esta pregunta es bastante simple, pero es posible que no se entienda ampliamente fuera de aquellos que trabajan la mayor parte de su tiempo resolviendo problemas de EMI. En pocas palabras, una perla de ferrita no es una perla de ferrita, no es una perla de ferrita, etc. La mayoría de los fabricantes de perlas de ferrita proporcionan una tabla que enumera su número de pieza, la impedancia a una frecuencia dada (generalmente 100 MHz), la resistencia de CC (DCR) , una clasificación de corriente máxima y cierta información dimensional (consulte la Tabla 1). Todo bastante cosas estándar. Lo que no se muestra en la tabla de datos es información material y las respectivas características de rendimiento sobre la frecuencia.

Tabla 1: Tabla típica de datos de perlas de ferrita

Una perla de ferrita es un dispositivo pasivo que elimina la energía del ruido de un circuito en forma de calor. La perla crea una impedancia en un amplio rango de frecuencias que elimina toda o parte de la energía de ruido no deseada en ese rango de frecuencias. Para aplicaciones de voltaje de CC (como líneas Vcc para circuitos integrados), es deseable tener un valor de resistencia de CC bajo para no tener grandes pérdidas de energía dentro de la señal y/o voltaje o fuente de corriente deseados (pérdidas I2 x DCR). Sin embargo, es deseable tener una alta impedancia en algún rango de frecuencia definido. Por lo tanto, la impedancia está relacionada con el material utilizado (permeabilidad), el tamaño de la perla de ferrita, el número de devanados y la construcción del devanado. Obviamente, cuantos más devanados haya dentro de un tamaño de caja dado y para un material específico utilizado, mayor será la impedancia, pero esto también generará una mayor resistencia de CC ya que la longitud física de la bobina interna es más larga. La corriente nominal de la pieza es inversamente proporcional a su resistencia de CC.

Uno de los aspectos fundamentales del uso de perlas de ferrita para aplicaciones EMI es que el componente debe estar en su etapa resistiva. ¿Qué quiere decir esto? Simplemente, significa que "R" (resistencia de CA) debe ser mayor que "XL" (reactancia inductiva). En frecuencias donde XL > R (frecuencias más bajas), la pieza se comporta más como un inductor que como una resistencia. En frecuencias en las que R > XL, la pieza se comporta como una resistencia, que es la propiedad deseada de la perla de ferrita. La frecuencia en la que "R" se vuelve mayor que "XL" se denomina frecuencia de "cruce". Esto se muestra en la Figura 1 con la frecuencia de cruce marcada, 30 MHz en este ejemplo, con la flecha roja.

Figura 1: Frecuencia de cruce

Otra forma de ver esto es en términos de lo que la pieza realmente está haciendo mientras se encuentra en sus etapas inductiva y resistiva. Al igual que otras aplicaciones donde hay un desajuste de impedancia con los inductores, parte de la señal introducida se refleja de vuelta a la fuente. Esto puede brindar cierta protección a los dispositivos sensibles del otro lado de la perla de ferrita, pero también introduce una "L" en el circuito y esto puede causar resonancias y oscilaciones (timbre). Entonces, cuando la perla todavía es de naturaleza inductiva, parte de la energía del ruido se reflejará y pasará un porcentaje, dependiendo de los valores de inductancia e impedancia.

Cuando la perla de ferrita está en su etapa resistiva, el componente se comporta, como se ha dicho, como una resistencia y por lo tanto impide la energía del ruido y absorbe esta energía del circuito y lo hace en forma de calor. Aunque se construye de manera idéntica a algunos inductores, utilizando los mismos procesos, líneas y técnicas de fabricación, maquinaria y algunos de los mismos materiales de los componentes, la perla de ferrita utiliza un material de ferrita con pérdidas, mientras que un inductor utiliza un material de ferrita con pérdidas más bajas. Esto se muestra en las curvas de la Figura 2.

Figura 2: Reflexión vs Absorción

Esta figura muestra [μ''] que se utiliza para reflejar el comportamiento del material de perlas de ferrita con pérdidas.

El hecho de que las impedancias se den a 100 MHz también es parte del problema de selección. En muchos casos de EMI, la impedancia a esta frecuencia es irrelevante y engañosa. Este valor "puntual" no indica si la impedancia aumenta a esta frecuencia, disminuye, es plana, tiene un pico de impedancia, si el material todavía está en su etapa inductiva o se ha transformado en su etapa resistiva. De hecho, muchos proveedores de perlas de ferrita usan múltiples materiales para las mismas perlas de ferrita percibidas, o al menos como se muestra en la tabla de datos. Consulte la figura 3. Las cinco curvas de esta figura son para diferentes perlas de ferrita de 120 ohmios.

Figura 3: perlas de ferrita de 120 ohmios (a 100 MHz)

Lo que el usuario debe obtener, entonces, es la curva de impedancia que muestra las características de frecuencia de la perla de ferrita. En la Figura 4 se muestra un ejemplo de una curva de impedancia típica.

Figura 4: Curva de impedancia típica con /Z/, R, XL

La figura 4 muestra un hecho muy importante. La parte se especifica como una perla de ferrita de 50 ohmios, a 100 MHz, pero su frecuencia de cruce es de aproximadamente 500 MHz y alcanza más de 300 ohmios entre 1 y 2,5 GHz. Una vez más, simplemente mirar la tabla de datos no le permitiría al usuario saber esto y puede ser muy engañoso.

Como se muestra, los materiales varían en su desempeño. Existen numerosas variaciones de ferrita utilizadas en la construcción de perlas de ferrita. Algunos materiales son de alta pérdida, alta frecuencia, alta frecuencia, baja pérdida de inserción y otros. En la Figura 5 se muestra una agrupación general por frecuencia de aplicación e impedancia.

Figura 5: Características del material basadas en la frecuencia1

Otro problema común es que el diseñador de la placa a veces está limitado en las opciones de perlas de ferrita por lo que hay en su base de datos de componentes aprobados. Si la empresa tiene solo unas pocas perlas de ferrita aprobadas que se han utilizado en otros productos y se consideraron satisfactorias, en muchos casos no se percibe la necesidad de evaluar y aprobar otros materiales y números de pieza. Esto muchas veces, en el pasado reciente, condujo a algunos de los efectos de empeoramiento del problema de ruido EMI original mencionado anteriormente. Lo que funcionó antes puede o no funcionar en el próximo proyecto. Uno no puede simplemente trasladar la solución EMI del último proyecto, especialmente si la frecuencia ha cambiado para la señal deseada o si hay cambios de frecuencia en componentes potencialmente radiantes, como dispositivos de reloj.

Si uno observa las dos curvas de impedancia en la Figura 6, se puede hacer una comparación de los efectos materiales de dos partes específicas similares.

Figura 6: Curvas de impedancia para material B (arriba) y material D (abajo)

Para ambas partes, la impedancia a 100 MHz es de 120 ohmios. Para la parte de la izquierda, utilizando el material "B", la impedancia máxima es de unos 150 ohmios y se consigue a 400 MHz. Para la parte de la derecha, usando el material "D", la impedancia máxima es de 700 Ohms como se logra a aproximadamente 700 MHz. Pero la mayor diferencia está en las frecuencias de cruce. Las transiciones de material "B" de pérdida súper alta (R > XL) a 6 MHz, mientras que el material "D" de muy alta frecuencia permanece inductivo hasta alrededor de 400 MHz. ¿Cuál es la parte correcta a usar? Depende de cada aplicación individual.

La Figura 7 demuestra un problema demasiado común que surge cuando se elige la perla de ferrita incorrecta para suprimir la EMI. La señal sin filtrar demuestra un subimpulso de 474,5 mV en un pulso de 3,5 V, 1 uS.

Figura 7: Desempeño medido de materiales de alta pérdida y súper alta pérdida

En el resultado, al utilizar el material de tipo High Loss (gráfico central), el subimpulso medido aumenta debido a la mayor frecuencia de cruce de la pieza. El subimpulso de la señal aumenta de 474,5 mV a 749,8 mV. El material Super High Loss, con su frecuencia de cruce más baja, funciona adecuadamente y sería el material adecuado para usar en esta aplicación (gráfico a la derecha). El undershoot usando esta parte se reduce a 156,3 mV.

A medida que aumenta la corriente continua a través de la perla, el material del núcleo comienza a saturarse. Para los inductores, esto se denomina corriente de saturación y se especifica como una disminución porcentual en el valor de la inductancia. Con perlas de ferrita, mientras la pieza se encuentra en su etapa resistiva, el efecto de la saturación se refleja en la reducción de los valores de impedancia sobre la frecuencia. Esta caída de la impedancia reduce la eficacia de la perla de ferrita y su capacidad para eliminar el ruido EMI (CA). La figura 8 muestra un conjunto de curvas de polarización de CC típicas para una perla de ferrita.

Figura 8: Efectos sobre la impedancia por corriente CC

En esta figura, la perla de ferrita tiene una potencia nominal de 100 ohmios a 100 MHz. Esta es la impedancia típica medida cuando no hay corriente CC a través de la pieza. Pero como se puede ver, una vez que se aplica una corriente CC (como para las entradas IC VCC), hay una caída brusca de la impedancia efectiva, pasando de 100 ohmios a 20 ohmios en las curvas anteriores para solo una corriente de 1,0 A en 100 MHz. Tal vez no sea demasiado crítico, pero es algo que el ingeniero de diseño debe tener en cuenta. Nuevamente, al usar solo los datos de características eléctricas de las piezas de la hoja de datos del proveedor, el usuario no tendría conocimiento de este fenómeno de polarización de CC.

Al igual que con los inductores de RF de alta frecuencia, la dirección de bobinado de las bobinas internas dentro de la perla de ferrita tiene un gran impacto en el comportamiento de frecuencia de la perla. La dirección del devanado influye no solo en la impedancia frente a los niveles de frecuencia, sino que también cambia la respuesta de frecuencia. En la Figura 9, se muestran dos perlas de ferrita de 1000 ohmios, del mismo tamaño de caja y hechas del mismo material pero con dos configuraciones de bobinado diferentes.

Figura 9: Cordón "Giga" a la izquierda, cordón estándar a la derecha2

La parte de la izquierda, con bobinas enrolladas en el plano vertical y apiladas en dirección horizontal, produce una mayor impedancia y una respuesta de frecuencia más alta que la parte de la derecha que está enrollada en el plano horizontal y apiladas en dirección vertical. Esto se debe, en parte, a la menor reactancia capacitiva (XC) asociada con la capacitancia parásita reducida entre las terminaciones finales y las bobinas internas. El XC más bajo crea una frecuencia de resonancia propia más alta que luego permite que la perla de ferrita continúe aumentando en impedancia hasta la frecuencia de resonancia propia más alta, lo que también da como resultado un valor de impedancia más alto que es posible obtener con una perla de ferrita construida estándar. Las curvas de las dos perlas de ferrita de 1000 ohmios anteriores se muestran en la Figura 10.

Figura 10: Comparación de la respuesta de frecuencia debida a la configuración del devanado

Para mostrar aún más el impacto de la selección correcta e incorrecta de perlas de ferrita, se utilizó un circuito de prueba simple y una placa de prueba para demostrar gran parte de lo que se ha discutido anteriormente. En la Figura 11, se muestra una placa de prueba con tres ubicaciones de perlas de ferrita y puntos de prueba etiquetados como "A", "B" y "C" a una distancia de 0 mm, 50 mm y 100 mm de la salida del transmisor (TX). ) dispositivo, respectivamente.

Figura 11: Configuración de prueba y tablero de prueba

Las condiciones de la señal para esta prueba fueron las siguientes:

La integridad de la señal se midió en el lado de salida de la perla de ferrita en cada una de las tres ubicaciones y se duplicó con dos perlas de ferrita hechas de diferentes materiales. El primer material, un material "S" con pérdida de baja frecuencia, se probó en los puntos "A", "B" y "C". A continuación, se utilizó un material "D" de mayor frecuencia. Los resultados punto a punto utilizando estas dos perlas de ferrita se muestran en la Figura 12.

Figura 12: Resultados de las pruebas de rendimiento en circuito

La señal sin filtrar "a través" se muestra en la fila central y exhibe algunos sobreimpulsos y subimpulsos en los bordes ascendente y descendente, respectivamente. Como puede verse, con el uso del material correcto para las condiciones de prueba anteriores, el material con pérdida de baja frecuencia mostró una buena mejora de la señal de sobreimpulso y subimpulso en los flancos ascendente y descendente. Estos resultados se muestran en la Figura 12 en la fila superior. Los resultados que utilizaron el material de alta frecuencia provocaron un zumbido que magnificó los niveles de cada uno y aumentó el período de inestabilidad. Los resultados de estas pruebas se muestran en la fila inferior.

Al observar la mejora en EMI sobre la frecuencia para la parte superior recomendada (en la Figura 12) en el escaneo horizontal que se muestra en la Figura 13, se puede ver que esta parte reduce sustancialmente los picos de EMI y reduce los niveles generales de ruido, para todas las frecuencias en el rango de 30 a aproximadamente 350 MHz, a un nivel aceptable muy por debajo del límite de EMI resaltado por la línea roja, que es el estándar regulatorio general para dispositivos de Clase B (FCC parte 15 en los EE. UU.). El material "S" utilizado en la perla de ferrita es específico para estas frecuencias más bajas. Y como se puede ver, el material "S" tiene un impacto limitado en los niveles de ruido EMI sin filtrar originales una vez que la frecuencia supera los 350 MHz, pero reduce el pico principal a 750 MHz alrededor de 6 dB. Si la mayor parte del problema del ruido EMI estuviera por encima de los 350 MHz, sería necesario considerar el uso de un material de ferrita de mayor frecuencia que tenga su impedancia máxima más alta en el espectro de frecuencia.

Figura 13: Supresión de ruido EMI radiado (horizontal)

Por supuesto, todo el zumbido, que se muestra en las curvas inferiores de la Figura 12, generalmente se evita mediante pruebas de rendimiento reales y/o software de simulación, pero se espera que este artículo permita al lector evitar muchos de los errores comunes. disminuir la cantidad de tiempo necesario para seleccionar la perla de ferrita correcta y permitir un punto de partida más "educado" cuando se necesita una perla de ferrita para ayudar a resolver un problema de EMI.

Para evitar el uso indebido en sus futuras necesidades de perlas de ferrita, se recomienda que siempre:

Para terminar, es deseable aprobar familias o series de perlas de ferrita, no solo números de pieza individuales, para tener más opciones y flexibilidad de diseño. Debe tenerse en cuenta que los diferentes proveedores utilizan diferentes materiales, y es imprescindible que se revise el rendimiento de frecuencia de cada uno, especialmente cuando se realizan varias compras para el mismo proyecto. Esto es bastante fácil de hacer la primera vez, pero una vez que las partes se ingresan en una base de datos de componentes con un número de control y se pueden usar en cualquier lugar a partir de ese momento, es importante que el rendimiento de frecuencia de las partes de los diferentes proveedores se parezca mucho a entre sí con el fin de eliminar posibles problemas futuros para otras aplicaciones. La mejor manera de hacerlo es tener datos similares de los distintos proveedores y, como mínimo, tener la curva de impedancia. Esto también garantizará que se utilice la perla de ferrita correcta para resolver su problema de EMI.

Y recuerde, no todas las perlas de ferrita son iguales.

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Chris Burket ha estado en TDK desde 1995 y ahora es un ingeniero de aplicaciones sénior que da soporte a una amplia gama de componentes pasivos. Ha estado involucrado en el diseño de productos, ventas técnicas y marketing. El Sr. Burket ha escrito y presentado documentos técnicos en numerosos foros. El Sr. Burket había obtenido tres patentes estadounidenses en interruptores ópticos/mecánicos y en capacitores.