El uso de materiales magnéticos en nuestro PCB ¿Por qué y para que?

A medida que vamos completando un nuestro diseño de PCB, si no lo hemos hecho ya con anterioridad, debemos comenzar a pensar en cómo se comportará nuestro PCB desde el punto de vista de los campos electromagnéticos, o como imaginamos todos, desde el punto de vista de la tan temida Compatibilidad Electromagnética, o más conocida en el mundo del diseñador de PCB como con las siglas EMI (Interferencia Electromagnética).

Para empezar a solventar todo este tipo de problemas, que suelen ocurrir en el día 0 de nuestro diseño, parece una buena idea empezar a pensar en cómo se comportará nuestro equipo frente a los ensayos de EMC (Compatibilidad electromagnética), es decir, cómo puede interferir nuestro PCB en otros adyacentes, o cómo puede influir en si mismo. Para ello, empezar a recurrir en el uso de materiales magnéticos en nuestro, muchas veces puede ser una buena idea.

Tipos de materiales magnéticos

Dentro de los materiales ferromagnéticos existentes, denominados así por su composición de hierro, nos centraremos en tres tipos de estos:

• Materiales ferromagnéticos compuestos: dentro de estos encontraremos dos tipos, los de polvo de aleación y los de polvo de hierro. 

Para la fabricación de estos se recurre a la extrusión a través de una boquilla de uno o ambos tipos de polvo, ambos son sometidos a una corriente de gas inerte, ya sea argón o nitrógeno, solidificando el polvo en pequeñas partículas esféricas, que tras una capa de epoxi son prensadas, obteniendo así núcleos para pequeños transformadores. En función de la elección de los polvos de aleación podemos obtener diferentes núcleos, y, por tanto, diferentes comportamientos de la impedancia de estos a diferentes niveles de frecuencia, como es el caso de los “choques”.

• Materiales ferromagnéticos cerámicos: dentro de estos nos encontramos con las famosas “ferritas”. La obtención de estas es debida a la unión de materiales metálicos, en este caso con la unión de polvo de hierro con níquel, zinc o manganeso. Por ello, dividiremos estas en dos grupos debido a su composición.

Ferritas NiZn cuyo comportamiento es óptimo para frecuencias superiores a 1MHz, dado que tienen mayor propiedad resistiva que las ferritas MnZn.

Ferritas MnZn tienen mayor permeabilidad que las ferritas de NiZn y mayor nivel de saturación, por lo que son óptimas para trabajar con frecuencias menores a 1 MHz.

• Materiales ferromagnéticos metálicos: dentro de estos últimos, nos encontraremos con los metales amorfos o laminados, usados para la realización exclusiva de núcleos bobinados. Debido a que estos últimos se denominan metales blandos, estos presentan valores de resistividad mayor a los anteriores.

Sin centrarnos mucho en los procesos de fabricación de estos, los materiales compuestos al igual que los cerámicos, llevan un recubrimiento de epoxi, con su posterior secado y prensado, a diferencia de los metálicos que únicamente sufren un proceso de recocido para realizar un reordenado atómico de su estructura.

Comportamiento en frecuencia de los materiales magnéticos

Llegados a este punto, es conveniente hacer un breve repaso de las propiedades físicas nombradas que caracterizan los materiales magnéticos, como es el caso de la permeabilidad.

Permeabilidad

Cuando nos referimos a permeabilidad, hablamos de permeabilidad relativa, o más bien a la capacidad que tienen un material a ser susceptible a un flujo electromagnético, o al factor energético para magnetizar el material.

En el caso de las ferritas la magnetización es completamente aleatoria, dado que, si fuera ordenada, se debería considerar como un imán. Por tanto, se considera magnetización suave.

Los niveles de dicho valor de permeabilidad para cada uno de los materiales magnéticos son de 50 a 150 para el polvo de hierro, de 100 a 1000 para las ferritas de níquel zinc, de 1000 a 10000 para las ferritas de manganeso zinc, y de 10000 a 90000 para los materiales de estructura ordenada nano cristalina derivada de los amorfos.

Permeabilidad frente a temperatura

Uno de los factores para tener en cuenta a la hora de la elección para el trabajo de dichos materiales, es como es su comportamiento térmico. 

Debido a que dichos materiales son susceptibles a los cambios de temperatura, en el caso de las ferritas, estos pueden ser más determinantes aún. El aumento de temperatura de un material ferromagnético obliga a que los dipolos existentes en este comienzan a alinearse, lo cual puede ser beneficioso si no superamos un punto térmico determinado.

Llegados a ese caso, y ya que un material ferromagnético se puede convertir en un material paramagnético, si llevamos a este a su máximo nivel de saturación térmico, denominado así mismo como temperatura de Curie, perderemos la propiedad electromagnética del material, ya que la permeabilidad para ese punto es de 1.

Como conclusión la magnetización del material es completamente dependiente de la temperatura.

Ferritas y choques en nuestro PCB

Ahora que ya conocemos en detalle el comportamiento de dichos materiales ferromagnéticos, puede resultar interesante el uso de ellos para controlar los campos electromagnéticos existentes siempre en nuestro PCB.

Aunque dichos materiales se usan habitualmente en el diseño de circuitos de electrónica de potencia, como es en el caso de las fuentes conmutadas DC/DC, ya sean “boost” o “buck”, o ambas, en este caso nos centraremos únicamente en el filtrado de señales y en el control de campos en el PCB. 

Es altamente recomendable el uso de ferritas para tener un control de las líneas de comunicaciones de nuestro PCB, dado que, si conocemos su frecuencia de conmutación de los bits de estado, podremos conocer la impedancia exacta que tendrá este si la hemos diseñado en consecuencia.

Si a analizamos en detalle la imagen anterior, podremos observar que, si trabajamos en frecuencias inferiores a 50 MHz, la ferrita se comportará de modo puramente inductivo, entre 50 MHz y 150 MHz, tendrá un carácter más resistivo, y, por tanto, se encontrará con el valor de mayor atenuación. Por encima de 150 MHz, la ferrita comenzará a comportarse como una carga con carácter capacitivo, por ello hay que tener mucho cuidado al trabajar en esa zona.

Así mismo, como se aprecia en la curva anterior, la respuesta en frecuencia del modulo de la impedancia Z de la ferrita, es la convolución de la respuesta de la parte real e imaginaria de sendas curvas.

Por tanto, si conocemos la frecuencia de trabajo de las líneas de comunicación, podremos tener un control más preciso con que valor de impedancia trabajaremos, y por tanto tendremos el control de los campos electromagnéticos existentes, ya que, a diferencia del uso de una resistencia en serie, no conoceríamos dicho comportamiento en frecuencia a priori, lo cual, puede ocasionar problemas en ensayos EMC, y variabilidad de costes en el producto final.

Del mismo modo, cabe indicar que el comportamiento de choques es similar al de las ferritas, sin embargo, los valores de atenuación son mayores a frecuencias más bajas, y tienen un uso más eficiente conexiones externas como para conexiones líneas de pares diferenciales.

Para mi, el mejor modo de conocer el comportamiento de dichos materiales frente a pulsos o su comportamiento como filtro para un sistema, es visitar el simulador de REDEXPERT de Würth Elektronik. 

Como elegir la ferrita correcta

Para ello, podemos echar mano del apartado Manufacturer Part Search de Altium Designer, y ponernos manos a la obra en la búsqueda de la ferrita o choque ideal a través de las múltiples posibilidades que ofrece este apartado. Conociendo tiempo de suministro, stock y costes para añadir a nuestro diseño de PCB en tiempo real, tanto en la parte de esquema, como diseño PCB, así como en el BOM.

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