フェライトビーズ、チップ、コア、およびプレートの使用方法

回路設計者の中には、「フェライト」という言葉を聞くと、「フェライトビーズ」を思い浮かべる人もいるでしょう。これらの部品は通常、非常にシンプルな目的で設計に取り入れられます：直流電流以外のすべてをブロックすること。非常にシンプルに、フェライトビーズは、その形状に関わらず、単純なローパス回路であることを意図しています。しかし、他のタイプのフェライトについてはどうでしょうか？それらの電気的機能は、単純なフェライトビーズと比較してどのように異なるのでしょうか？

設計で使用を検討すべきフェライトの種類はいくつかあります。それらはすべて同じ物理法則に従いますが、形状や配置によって設計で異なる機能を提供することができます。特に、フェライトビーズではアプローチできない問題を、代替フェライトで解決できる場合があります。

異なるフェライト、異なる用途

コンポーネントメーカーのウェブサイトを見始めると、フェライトビーズに関して様々な用語が混在していることに気づくでしょう。一部の企業はフェライトを説明する際に製品の正しい名称を使用しますが、他の製品ガイドではすべてを単にフェライトビーズと呼んでいます。そして、フェライトプレートがありますが、これはすべてのフェライトビーズメーカーが提供しているわけではありません。一部のEMIガイドラインでは、どのコンポーネントが魔法のEMI解決策であるかを述べる際に、「フェライトビーズ」という一般的な用語を使用し、コンポーネントをどこにどのように配置するかについては通常述べません。

フェライトを使用するポイントは、フェリ磁性材料の高い磁気感受性を利用してノイズや放射を抑制することです。これらの材料は、標準的なインダクタンス方程式で高いμ値を持っています。インダクタとして使用される場合、高いμ値が物理的に小さいパッケージで大きなインダクタンスを提供することになります。すべての混乱を解消するために、これらのフェライトオプションをそれぞれ見て、システムに最適なオプションがどれかを見てみましょう。

フェライトコア

これは、フォーラム、ガイド、その他の場所で最も一般的に参照されるフェライトビーズに関する記述です。私たちはしばしば、これをインダクタ、基板実装フェライトチップビーズ、および共通モードチョークと区別することを怠りますが、その理由はすぐにわかります。一部のフェライトメーカーは、これをフェライトチョークまたはフェライトクランプと呼ぶことがありますが、メーカーによってはこれらの用語を何か他のもの（共通モードまたは差動モードチョーク、またはチップフェライト）と交換して使用することがあり、混乱が生じます。電源コードのクランプ用にトロイダルフェライトを使用する場合や、メーカーのウェブサイトで製品を見る場合には、この点に注意してください。

このコンポーネントを指すために使用される用語に関わらず、その目的はシステムに入ってくる電源コードに配置され、グリッドから来る伝導された共通モードノイズを抑制することです。これは、DC電源プラグからの出力コードを巻きつけるトロイダルコアとして時々見かけるかもしれません。これをラップトップで読んでいるなら、電源コードにフェライトコアがついている可能性があります。

チップフェライト

これらのコンポーネントは、基本的には小型のSMDパッケージにフェライトコアを持つインダクターであり、標準化されたランドパターンを持っています。これらは「チップフェライトビーズ」ともよく呼ばれるため、電源コードに見られる標準的なフェライトコアとは重要な区別があります。これらのコンポーネントのポイントは、物理的に小さいパッケージで高いインダクタンスを提供することであり、通常の空芯インダクターコイルで見られるものよりもはるかに小さいです。

チップフェライトは、共通モードまたは差動モードのノイズフィルタリングを提供する低プロファイルのチップコンポーネントとしてもパッケージ化されることがあります。これらのコンポーネントのカットオフ周波数は数百MHzに達することがあります。差動モードノイズと共通モードノイズではインピーダンス値が異なることに注意することが重要です。例えば、以下のチップフェライトビーズのインピーダンス曲線を見てください。共通モードインピーダンスは単端インダクターの典型的な振る舞いを示しますが、差動モードコンポーネントは依然として高いインピーダンスを持ち、このタイプのコンポーネントを差動モードフィルターとして使用する場合は、~GHz周波数までのフィルタリングを懸念している場合に限られます。

フェライトプレート

これらのコンポーネントは、文字通りフェリ磁性材料の板またはディスクであり、問題のあるコンポーネントの近くの筐体内に配置されます。一般的な用途は、レイアウトにフィルタ回路を追加することなく、スイッチングノイズを相殺するための電力エレクトロニクスです。これらの材料は、高いdI/dt源から発生する誘導結合ノイズに対する遮蔽を提供できます。例えば、高電流スイッチング電源レギュレータで得られるようなものです。また、標準的な遮蔽材料として機能し、放射されたEMIの抑制も提供します。ただし、これらの材料のμと周波数の値を確認して、遮蔽効果を判断してください。

コモンモードチョーク

通常、一対の結合インダクタとして言及されるこれらのコンポーネントは、円筒形のフェライトコアと、コモンモードノイズフィルタリングを提供するための巻線を含んでいますが、これらのコンポーネントの一つの巻線を逆にすると、差動モードフィルタリングが提供されます。これらのコンポーネントは、他のリアクティブコンポーネントと組み合わせて、2次以上の混合モードフィルタリングを提供することができます。コモンモードおよび差動モードノイズフィルタリングを12 dB/オクターブのロールオフで提供する典型的な回路は以下に示されています。

要約

フェライトビーズの使用目的は、EMIを抑制することにあると一般には合意されていますが、その点が時々不十分に伝えられています。実際には、フェライトビーズがすべてのEMI問題に対する万能薬ではなく、実際のフェライトビーズのバンドストップ動作のため、回路に配置することで新たなEMI問題を引き起こす場合もあります。EMIを抑制することは、電源コードやICの電源リードにフェライトビーズを配置するだけではなく、より複雑です。ケラ・ナックが最近の記事で述べているように、通常、異なる周波数範囲を対象とした複数の解決策が必要ですが、それは低EMIのための最良のレイアウト実践をいくつか実行した後のことです。

PCBにフェライトビーズ、コア、プレート、またはSMDフェライトを配置する必要がある場合は、Altium Designer®のCADツールを使用して、PCBレイアウト内のコンポーネントを配置およびルーティングします。ボード上のフェライトの有無によるシステムの効果を比較する必要がある場合は、EDB Exporter拡張機能を使用して設計をAnsysフィールドソルバーにインポートし、さまざまなSI/PIシミュレーションを実行できます。設計が完了し、製造業者にファイルをリリースしたい場合、Altium 365™プラットフォームを使用すると、プロジェクトの共有やコラボレーションが簡単になります。

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