Jak wykorzystać rdzeń ferrytowy w projektach w celu redukcji EMI?

Często słyszymy porównania czegoś skomplikowanego do fizyki kwantowej. No dalej, mały Jasiu, przecież znasz tabliczkę mnożenia – to nie fizyka kwantowa. Uważam, że obecnie określenie fizyka kwantowa powinna być zastąpione zakłóceniem elektromagnetycznym (EMI). Jest to jedna z tych rzeczy, której wielu z nas nie może w pełni zrozumieć. Właśnie dlatego piszę na takie tematy, jak prawidłowe uziemienie, obwody AC/DC, szybkie trasowanie, i trasowanie par różnicowych. Następna na liście jest redukcja zakłóceń elektromagnetycznych za pomocą rdzeni ferrytowych. Może to być nieco trudne zagadnienie, dlatego najpierw trzeba zrozumieć je pod kątem teoretycznym. Większość komponentów elektrycznych działa na zasadzie plug and play, jednak ferryty muszą być zaprojektowane w Twoim systemie. Jeśli znasz ich teorię, czas przejść do zastosowań praktycznych, takich jak filtry LC, separacja płaszczyzny uziemienia i zasilania oraz filtracja źródła szumu. 

Zarejestruj się i wypróbuj Altium Designer^® 19 już dzisiaj.

Filtry ferrytowe LC 

Projektanci często ulegają pokusie traktowania rdzeni ferrytowych jako filtrów dolnoprzepustowych. Blokują one wysokie częstotliwości, jednak tylko w określonym paśmie. Powyżej tego pasma na prowadzenie wychodzi częstotliwość pojemnościowa. Sam rdzeń nie jest w stanie pełnić funkcji filtra dolnoprzepustowego, ale staje się to możliwe podczas jego połączenia z kondensatorem obejściowym. W ten sposób powstaje coś, co zasadniczo nazywa się filtrem LC (opornika i kondensatora). Jednym z głównych problemów, na które należy zwrócić uwagę przy określaniu sposobu używania takich rdzeni ferrytowych, jest rezonans LC.

Po pierwsze: jeśli używasz rdzenia ferrytowego w linii zasilania Twojego obwodu, potrzebujesz kondensatora obejściowego. Przy niskich częstotliwościach rdzenie ferrytowe działają jak cewki indukcyjne, które przeciwstawiają się zmianom prądu. Oznacza to, że jeśli Twój układ scalony spróbuje doprowadzić do przepięcia, rdzeń będzie mu się opierał i może utrudnić działanie układu. Kondensator obejściowy jest potrzebny w celu gromadzenia ładunku, który może zapewnić tego typu wzrost natężenia prądu. Kondensatory obejściowe są też ogólnie dobrym pomysłem.

Gdy kondensator i materiał ferrytowy będą już znajdować się na swoim miejscu, możesz rozpocząć filtrowanie wysokich częstotliwości. Rdzeń ferrytowy ma kilka zalet względem normalnego induktora stosowanego w filtrze LC. Rdzenie ferrytowe dadzą Ci bardziej stromy roll-off przy niższych częstotliwościach. Wykazują też pewną oporność wewnętrzną, która pomaga tłumić możliwą częstotliwość rezonansową. Chociaż w pewnym stopniu posiadają one zdolność tłumienia, rezonans LC wciąż może występować. Szczególnie duże ryzyko istnieje przy stosowaniu większych kondensatorów. Jeśli naprawdę chcesz użyć większego kondensatora, możesz zmniejszyć to ryzyko, dodając dodatkowy rezonans tłumienia lub ograniczania w inny sposób. Jeśli rezonans wystąpi, może on skutkować wzrostem do 10 dB. Należy więc poświęcić trochę czasu na zaprojektowanie filtra w celu uniknięcia go.

^{Filtruj swoje sygnały za pomocą rdzenia ferrytowego i kondensatora obejściowego.} 

Połączenie płaszczyzny uziemienia/zasilania o mieszanych sygnałach

Jedna z głównych tras, przez które zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) mogą się rozpowszechniać, przebiega przez płaszczyznę uziemienia i zasilania. Jest to szczególnie powszechne zjawisko w mieszanych obwodach sygnałowych, w których impedancja pojedynczej płaszczyzny uziemienia/zasilania jest wykorzystywana zarówno do sygnałów analogowych, jak i cyfrowych. Dlatego też najlepiej jest mieć odseparowane płaszczyzny uziemienia/zasilania, jednak uziemienie wciąż musi odnosić się do tego samego napięcia względnego. Te problemy stwarzają spory dylemat, który jest w stanie rozwiązać rdzeń ferrytowy.

Rdzenie ferrytowe mogą być używane do łączenia oddzielnych analogowych i cyfrowych płaszczyzn uziemienia/zasilania. W tej konfiguracji obie płaszczyzny odnoszą się do tego samego napięcia, ale są od siebie odizolowane. Starannie dobrany rdzeń może blokować szum, który w innym przypadku byłby transferowany bezpośrednio z jednej płaszczyzny do drugiej. Nie każdy obwód powinien używać oddzielnych płaszczyzn uziemienia połączonych rdzeniem ferrytowym – sprawdź, czy ta struktura jest dla ciebie najlepsza, zanim zdecydujesz się jej użyć. 

Ogólne filtrowanie szumu

Płaszczyzny uziemienia i zasiniania nie są jedynymi częściami obwodu, w przypadku których występują problemy z szumem. Mogą one również dochodzić z komponentów cyfrowych, konwertera DC/DC lub liniii zasilającej. Rdzenie ferrytowe mogą pomóc w odfiltrowaniu szumu ze wszystkich tych źródeł.

W przypadku hałaśliwych komponentów możesz wykorzystać rdzenie ferrytowe, aby odizolować jak najwięcej z nich. Prawdopodobnie będziesz używać kondensatorów obejściowych dla każdego ze swoich cyfrowych układów scalonych, więc dodanie rdzeni ferrytowych utworzy wspomniany filtr LC. Tego typu filtr tłumi szum dochodzący z podzespołów i pomaga utrzymać obwód z dala od zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).

Niektóre obwody analogowe są zasilane przez konwerter DC/DC. Możesz obawiać się, że te źródła zasilania zaczną dostarczać szum do systemu, ale prawdopodobnie nie przejmujesz się wysyłaniem szumu przez chipy analogowe. W takim przypadku możesz umieścić rdzeń ferrytowy w jednej linii z konwerterem DC/DC i odizolować swój obwód analogowy od zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) na szynie zasilania. 

^{Ferryty są często używane do filtrowania przychodzącej mocy.}

Może też niepokoić cię szum pochodzący spoza Twojej płyty. Często zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) trafiają do płyty PCB poprzez początkowe źródło zasilania. Rdzenie ferrytowe doskonale sprawdzają się do filtrowania tego rodzaju szumu o wysokiej częstotliwości. Jest to właściwie ich najczęstsze zastosowanie.

Niezależnie od tego, cz Twoje płyty PCB mają być wystrzelone w kosmos, czy zostają na naszej skromnej Ziemi, i tak należy je zabezpieczyć przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI). Rdzenie ferrytowe są w stanie to zrobić – albo poprzez tłumienie określonego pasma wysokich częstotliwości, albo poprzez pełnienie funkcji filtra LC w połączeniu z ceramicznym kondensatorem obejściowym. Jeśli zamierzasz użyć rdzenia w filtrze LC, pamiętaj o rezonansie LC. Możesz też wykorzystać rdzenie ferrytowe do odseparowania płaszczyzn uziemienia i zasilania w obwodach o mieszanym sygnale i ogólnie odfiltrować szum.

Teraz, gdy już wiesz, jak wykorzystywać rdzenie ferrytowe do redukcji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) w swoim obwodzie, czas zaprojektować własną płytkę. Odpowiednie oprogramowanie do projektowania płyt PCB, takie jak Altium Designer, pomoże Ci wdrożyć wiedzę teoretyczną z zakresu unikania szumu w życie. Altium Designer posiada szeroki wachlarz zaawansowanych narzędzi i dokumentacji, aby przygotować Cię na wszystko, co pojawi się na Twojej drodze.

Masz więcej pytań na temat zakłóceń elektromagnetycznych (EMI)? Skontaktuj się z ekspertem Altium.

Sprawdź Altium Designer w akcji...

Solidny projekt PCB