Wie man Ferritperlen, -chips, -kerne und -platten verwendet

Erwähnen Sie das Wort Ferrit in Gegenwart einiger Schaltungsentwickler, und der Gedanke springt wahrscheinlich zu „Ferritperle“. Diese Komponenten werden üblicherweise mit einer einfachen Absicht in ein Design eingebaut: alles außer Gleichstrom blockieren. Ganz einfach gesagt, sind Ferritperlen, unabhängig von ihrem Formfaktor, dazu gedacht, eine einfache Tiefpass-Schaltung zu sein. Aber was ist mit anderen Arten von Ferriten? Wie vergleicht sich ihre elektrische Funktionalität mit einer einfachen Ferritperle?

Es gibt mehrere Arten von Ferriten, die Sie in Ihrem Design in Betracht ziehen sollten. Obwohl sie alle denselben physikalischen Gesetzen gehorchen, können sie je nach Formfaktor und Platzierung unterschiedliche Funktionen in Ihrem Design übernehmen. Insbesondere gibt es einige Probleme, die ein alternativer Ferrit lösen kann, die mit einer Ferritperle nicht angegangen werden können.

Verschiedene Ferrite, verschiedene Anwendungen

Beginnen Sie damit, einige Websites von Komponentenherstellern zu betrachten, und Sie werden eine gemischte Terminologie rund um Ferritperlen finden. Einige Unternehmen verwenden den korrekten Namen eines Produkts, wenn sie Ferrite beschreiben, während andere Produktführer einfach alles als Ferritperle bezeichnen. Dann gibt es noch Ferritplatten, die nicht von jedem Ferritperlenhersteller angeboten werden. Einige EMI-Richtlinien beziehen sich auch pauschal auf die „Ferritperle“, wenn sie angeben, welche Komponente Ihre magische EMI-Lösung ist, und das typischerweise ohne zu sagen, wie oder wo die Komponente platziert werden soll.

Der Sinn der Verwendung eines Ferrits besteht darin, die hohe magnetische Suszeptibilität von ferrimagnetischen Materialien zu nutzen, um Rauschen und Strahlung zu unterdrücken. Diese Materialien haben einen hohen μ-Wert in der Standard-Induktionsgleichung. Wenn sie als Induktoren verwendet werden, ist der hohe μ-Wert das, was Ihnen eine große Induktivität für ein physisch kleines Paket gibt. Um durch all die Verwirrung zu brechen, lassen Sie uns einen Blick auf jede dieser Ferritoptionen werfen, um zu sehen, welche die beste Option für Ihr System ist.

Ferritkern

Dies ist die häufigste Bezeichnung für eine Ferritperle, die Sie in Foren, Anleitungen und anderswo finden werden. Wir tun uns oft schwer, dies von einem Induktor, einer auf der Platine montierten Ferrit-Chipperle und einer Gleichtakt-Drossel zu unterscheiden, aus Gründen, die wir gleich sehen werden. Einige Ferrithersteller bezeichnen dies als Ferritdrossel oder Ferritklemme anstatt als Ferritkern, und es wird verwirrend, weil einige Hersteller diese Begriffe austauschbar für etwas anderes verwenden (entweder Gleichtakt- oder Gegentakt-Drosseln oder Chip-Ferrite). Seien Sie sich dessen bewusst, wenn Sie die Verwendung von toroidalen Ferriten zum Klemmen von Stromkabeln in Betracht ziehen und wenn Sie Produkte auf der Website eines Herstellers betrachten.

Unabhängig von dem Begriff, der verwendet wird, um diese Komponente zu bezeichnen, ist sie dazu gedacht, auf einem Stromkabel, das in das System führt, platziert zu werden, mit der Idee, geführtes Gleichtakt-Rauschen, das vom Netz kommt, zu unterdrücken. Manchmal sehen Sie dies als einen toroidalen Kern, der sich um das Ausgangskabel von Ihrem Gleichstromstecker wickelt. Wenn Sie dies auf Ihrem Laptop lesen, befindet sich wahrscheinlich ein Ferritkern am Stromkabel.

Chip-Ferrite

Diese Komponenten sind im Grunde genommen als Induktoren mit einem Ferritkern in einem kleinen SMD-Gehäuse mit standardisiertem Landemuster gedacht. Sie werden auch oft als „Chip-Ferritperlen“ bezeichnet, daher gibt es eine wichtige Unterscheidung zu einem Standard-Ferritkern, wie man ihn an einem Stromkabel findet. Der Zweck dieser Komponenten besteht darin, eine hohe Induktivität in einem physisch kleinen Paket zu bieten, viel kleiner als das, was man bei einer typischen Luftkernspule sehen würde.

Chip-Ferrite können auch als flache Chip-Komponenten verpackt sein, die eine gemeinsame Modus- oder differentielle Modus-Rauschfilterung bieten. Die Grenzfrequenzen für diese Komponenten können Hunderte von MHz erreichen. Es ist wichtig zu beachten, dass die Impedanzwerte für differentielles Rauschen im Vergleich zu gemeinsamem Rauschen unterschiedlich sein werden. Nehmen Sie zum Beispiel einen Blick auf die Impedanzkurve für eine Chip-Ferritperle unten. Die Impedanz im gemeinsamen Modus zeigt das typische Verhalten einer einseitigen Induktorspule, aber die differentielle Komponente hat immer noch eine hohe Impedanz, was die Verwendung dieses Typs von Komponente als differentiellen Modus-Filter einschränkt, es sei denn, Sie machen sich Sorgen um die Filterung bis zu ~GHz Frequenzen.

Ferritplatten

Diese Komponenten sind buchstäblich Platten oder Scheiben aus einem ferrimagnetischen Material und werden in einem Gehäuse in der Nähe einer störenden Komponente platziert. Eine häufige Anwendung findet sich in der Leistungselektronik, um Schaltgeräusche zu bekämpfen, ohne einen Filterkreis zum Layout hinzuzufügen. Diese Materialien können Abschirmung gegen induktiv gekoppeltes Rauschen bieten, das von einer Quelle mit hohem dI/dt, wie man es bei einem hochstromschaltenden Spannungsregler erhalten würde, ausgeht. Sie bieten auch Unterdrückung von abgestrahlten EMI, indem sie als Standard-Abschirmmaterial wirken. Allerdings sollte man den Wert von μ im Verhältnis zur Frequenz für diese Materialien überprüfen, um die Abschirmeffektivität zu bestimmen.

Gemeinsam-Modus-Drosseln

Meistens als ein Paar gekoppelter Induktoren bezeichnet, beinhalten diese Komponenten einen zylindrischen Ferritkern mit einer gewickelten Drahtspule, um entweder eine Filterung des Gemeinsam-Modus-Rauschens zu bieten, obwohl das Umkehren der Wicklung bei einer dieser Komponenten eine Filterung im Differenzialmodus ermöglicht. Diese Komponenten können mit anderen reaktiven Komponenten verwendet werden, um eine gemischte Modus-Filterung im 2. Ordnungsbereich und höher zu bieten. Ein typischer Schaltkreis, der eine Filterung von Gemeinsam-Modus- und Differenzialmodus-Rauschen mit einem Abfall von 12 dB/Oktave bietet, wird unten gezeigt.

Zusammenfassung

Der Sinn des Einsatzes von Ferritperlen wird manchmal schlecht kommuniziert, obwohl allgemein anerkannt wird, dass es darum geht, EMI zu unterdrücken. In Wirklichkeit sind Ferritperlen keine Allheilmittel für jedes EMI-Problem, und in einigen Fällen kann das Platzieren von ihnen in einem Schaltkreis aufgrund des Bandstop-Verhaltens echter Ferritperlen ein neues EMI-Problem erzeugen. Die Unterdrückung von EMI ist komplexer als nur eine Ferritperle an einem Stromkabel oder am Stromanschluss eines ICs zu platzieren, wie Kella Knack in einem kürzlich erschienenen Artikel beschreibt. Typischerweise benötigen Sie mehr als eine Lösung, die verschiedene Frequenzbereiche abzielt, aber erst nachdem Sie einige beste Layout-Praktiken für niedrige EMI befolgt haben.

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