Как работают ферритовые шайбы и как их правильно выбирать?

Как правило, ферритовые шайбы используются для подавления высокочастотных электромагнитных помех (далее — «ЭМП»)

Иногда мне хотелось бы видеть электромагнитные волны. Это значительно облегчило бы обнаружение ЭМП. Вместо того чтобы возиться со сложными настройками и анализаторами сигналов, я мог бы просто взглянуть на них и понять, в чем проблема. Хотя у нас нет возможности увидеть электромагнитные помехи, иногда мы можем их услышать, когда они проходят через цепи аудиосигналов. Один из способов устранения таких помех заключается в применении ферритовых шайб.

К сожалению, ферритовые шайбы (также именуемые ферритовыми дросселями, ферритовыми зажимами, ферритовыми кольцами, шайбами фильтра ЭМП или ферритовым кольцевым фильтром) могут казаться чем-то загадочным и непонятным. Ферритовые сердечники выполняют примерно ту же функцию, что и индукторы, однако при высоких частотах их частотная характеристика отклоняется от этого функционала. Кроме этого, разные типы шайб, например ферритовые шайбы с проволочной обмоткой и с чипами, выполняют разные ответные действия для шумоподавления. Например, ферритовые шайбы с проволочной обмоткой работают в широком диапазоне частот, однако создают меньшее сопротивление в установках постоянного тока. Чтобы использовать ферритовые шайбы правильно, необходимо понимать, каковы их электромагнитные характеристики и то, как они меняются в процессе эксплуатации. Знание теории применения ферритовых шайб помогает правильно подобрать их для конкретной печатной платы. Не изучив теорию, можно в конечном итоге столкнуться с неустранимыми проблемами.

На этом рисунке показано, почему ферритовую шайбу иногда называют ферритовым кольцом или ферритовым дросселем

Что такое ферритовая шайба и как она работает?

Ферритовые шайбы — это пассивные электронные компоненты, способные подавлять высокочастотные сигналы на линии электропитания. Как правило, их размещают вокруг пары линий — питания и заземления, идущей к конкретному устройству; в качестве примера можно привести провод питания ноутбука. Эти шайбы действуют в соответствии с законом Фарадея: магнитный сердечник, располагающийся вокруг проводника, в присутствии высокочастотного сигнала индуцирует обратную ЭДС, что ослабляет частотную характеристику ферритового элемента. Стандартные ферритовые шайбы можно приобрести у специализированных производителей, например Coilcraft; для определенных проектов могут потребоваться шайбы, изготовленные по индивидуальному заказу.

Ферриты являются магнитными материалами, размещение которых в ферритовом зажиме вокруг линии питания/заземления позволяет сформировать источник индуктивного импеданса для сигналов, проходящих через линию. Поэтому можно предположить, что они являются стандартными индукторами, хотя в действительности они намного сложнее. Ферритовая шайба — это нелинейный компонент. Создаваемый им импеданс изменяет при прохождении через феррит ток нагрузки и перепад напряжения. Упрощенная модель цепи ферритовой шайбы поможет понять ее частотные характеристики. Однако следует помнить, что эти характеристики могут меняться в зависимости от силы тока и температуры.

Ток нагрузки может изменить импеданс ферритового элемента.

Для чего используются ферритовые шайбы?

Поскольку импеданс ферритовых шайб носит индуктивный характер, индукторы в форме ферритовых шайб используются для ослабления высокочастотных сигналов в электронных компонентах. Когда дроссель в форме ферритовой шайбы помещается на линию питания, соединяющуюся с электронным устройством, он устраняет любой паразитный высокочастотный шум, присутствующий на соединении питания или исходящий от источника питания постоянного тока. Такое использование ферритового зажима представляет собой один из вариантов подавления шума, например исходящего от импульсного источника питания. Применение ферритовых шайб в качестве ферритового фильтра обеспечивает подавление и устранение проводимых ЭМИ.

Существуют разные варианты применения ферритовых шайб в качестве фильтров; при использовании в качестве фильтра ЭМИ/фильтра источника питания шайбы, как правило, рассчитывают на определенное номинальное пороговое значение постоянного тока. Ток, превышающий оговоренное значение, может повредить компонент. Проблема в том, что на эту предельную величину существенно влияет высокая температура. При повышении температуры номинальный ток быстро снижается. Номинальный ток также влияет на импеданс ферритового элемента. По мере роста постоянного тока ферритовая шайба будет «насыщаться» и терять индуктивность. При относительно высокой силе тока вследствие насыщения снижение импеданса ферритовой шайбы может достигнуть 90 %.

Сравнение ферритовой шайбы и индуктора

Хотя ферритовую шайбу можно смоделировать как индуктор, индукторы из ферритовых шайб не ведут себя как типовые индукторы. Для сравнительной оценки поведения ферритовой шайбы и индуктора следует послать аналоговый сигнал через шайбу и прокачать частоту через несколько порядков величин. Из графика Боде, построенного для ферритовой шайбы с разверткой по частоте, следует, что на высоких частотах ферритовая шайба формирует более резкий откат, чем индуктор с аналогичным поведением при низкой частоте.

Простая, но точная модель ферритовой шайбы, подсоединенной к источнику переменного тока.

Ферритовую шайбу можно смоделировать как конденсатор и индуктор, а также как резистор, параллельно с этой RLC-сетью, имеющей проводное соединение с последовательным резистором. Последовательный резистор количественно определяет устойчивость устройства к постоянному току. Индуктор в этой модели отображает основную функцию ферритовых шайб, заключающуюся в ослаблении высокочастотных сигналов, т. е. в обеспечении индуктивного импеданса по закону Фарадея. Параллельный резистор в этой модели отражает потери в вихревых токах, которые индуцируются внутри ферритовой шайбы на высоких частотах. Наконец, конденсатор в этой модели отражает естественную паразитную емкость компонента.

Как видно из кривой импеданса ферритовой шайбы, импеданс в основном резистивного характера чрезвычайно высок лишь в узкой полосе. Индуктивность шайбы доминирует в границах этой узкой полосы. На более высоких частотах импеданс ферритовой шайбы начинает приобретать емкостной характер и стремительно уменьшается. В конечном итоге, по мере дальнейшего роста частоты, емкостной импеданс падает до очень низкого значения, и импеданс ферритовой шайбы приобретает исключительно резистивный характер.

Ферритовый сердечник в ферритовой шайбе выполняет примерно ту же функцию, что и ферритовый сердечник в трансформаторе.

Памятка по выбору ферритовых шайб

Изучив теорию ферритовых элементов, можно приступать к их выбору для устройств. Это не очень сложно; чтобы выбрать ферритовую шайбу для проектного решения, нужно проанализировать ее технические характеристики. Может возникнуть вопрос о том, нужны ли ферритовые шайбы для конкретного проекта? Как и при выборе многих других инженерных решений, ответ не так прост. Если известно, что на плату будут воздействовать проводимые ЭМП в определенном диапазоне частот и нужно ослабить эти частоты, использование ферритовой шайбы может быть обоснованным.

Исходя из индуктивного поведения ферритовых шайб можно сделать вывод о том, что ферритовые шайбы «ослабляют высокие частоты» без дополнительного анализа. Наряду с этим, ферритовые шайбы не действуют как широкополосный фильтр пропускания низких частот, поскольку они могут только содействовать ослаблению определенного диапазона частот. Необходимо выбрать ферритовую шайбу и расположить ее в качестве дросселя там, где нежелательные частоты находятся в ее резистивном диапазоне. Если выбирается завышенное или заниженное расположение, шайба не даст желаемого эффекта.

Прежде чем выбрать для проекта конкретную ферритовую шайбу, следует уточнить, сможет ли производитель обеспечить желаемые кривые зависимости импеданса от тока нагрузки. Это лучший подход, которым можно воспользоваться для выбора ферритовой шайбы, намного опережающий другие варианты по эффективности. При очень высоких токах нагрузки требуется выбрать ферритовую шайбу, способную их выдерживать без насыщения и потери импеданса в желаемом диапазоне частот.

Предостережения

Ферритовые шайбы и ферритовые дроссели фактически являются при высоких частотах резистивными нагрузками, что означает, что они могут создавать в цепи ряд проблем. Выбирая место расположения шайбы, необходимо учитывать перепад напряжения и рассеивание тепла.

Когда применялись высоковольтные цепи, перепад напряжения не создавал значительных проблем. На сегодняшний день существует огромное количество цепей низкой мощности, которые могут использовать напряжение не выше примерно 2 В. При таком уровне значений большие потери недопустимы. Ферритовые шайбы вызывают падение напряжения постоянного тока в цепи. Оно может казаться незначительным, однако, если интегральные схемы (ИС) кратковременно находятся в состоянии высокого потребления тока, потери могут стать значимыми. Расположение ферритовых шайб следует выбирать таким образом, чтобы они не приводили к падению напряжения.

Поскольку материалы ферритовых сердечников обладают резистивностью при высоких частотах, они в основном рассеивают поглощенную энергию в форме тепла. Это тепло необязательно создаст проблему для печатной платы при использовании ферритового дросселя в линии питания, но может стать проблемой в случае применения для рассеивания высоких частот при высоком токе. Если в системе присутствуют сильные шумы и шайба будет поглощать большие объемы высоких частот, это тепло может стать более проблемным. Требуется учитывать рассеивание тепла, обеспечиваемое шайбой.

Импеданс ферритовых шайб меняется в зависимости от температуры.

Ферритовые шайбы могут принести весомую пользу, но только если есть четкое понимание того, как они работают. Следует помнить, что они ослабляют сигналы в довольно малом диапазоне, а их эффективность зависит от температуры и тока нагрузки. Чтобы использовать ферритовую шайбу оптимальным образом, необходимо убедиться в том, что она точно соответствует желаемым техническим характеристикам. При выборе места расположения шайбы необходимо учитывать перепад напряжения и тепло.

Важность и назначение ферритовых шайб часто становятся предметом обсуждения. Подробнее о ферритовых шайбах и ферритовых сердечниках рассказано в материале «Все, что необходимо знать о ферритовых шайбах» отраслевого эксперта Келлы Нак (Kella Knack). 

Использование таких компонентов, как ферритовые шайбы, может быть непростой задачей, однако проектирование печатной платы необязательно должно быть сложным. Altium Designer^® — современный программный продукт для проектирования печатных плат; в него входят инструменты, которые помогут сконструировать оптимальную плату. В нем также есть дополнения, например для создания сети подачи питания, которые помогут справиться с такими проблемами, как перепад напряжения и рассеивание тепла.

Остались вопросы о ферритовых шайбах или ферритовых сердечниках? Свяжитесь со специалистом Altium.