Как использовать ферритовые бусины, чипы, сердечники и пластины

Упомяните слово "феррит" рядом с некоторыми разработчиками схем, и в их уме, скорее всего, возникнет ассоциация с "ферритовым дросселем". Эти компоненты обычно встраиваются в дизайн с простой целью: блокировать все, кроме постоянного тока. Очень просто, ферритовые дроссели, независимо от их форм-фактора, предназначены для создания простой низкочастотной цепи. Но что насчет других типов ферритов? Как их электрические функции сравниваются с простым ферритовым дросселем?

Существует несколько типов ферритов, которые стоит рассмотреть для использования в вашем дизайне. Хотя все они подчиняются одним и тем же законам физики, они могут выполнять разные функции в вашем дизайне в зависимости от их форм-фактора и размещения. В частности, существуют некоторые проблемы, которые можно решить с помощью альтернативного феррита, а не с помощью ферритового дросселя.

Разные ферриты, разные применения

Начните изучать веб-сайты производителей компонентов, и вы обнаружите разнообразие терминологии, связанной с ферритовыми бусинами. Некоторые компании используют корректные названия продуктов при описании ферритов, в то время как другие руководства по продукции могут называть все ферритовые бусины. Затем есть ферритовые пластины, которые не каждый производитель ферритовых бусин предоставляет. Некоторые руководства по ЭМП также будут упоминать общий термин «ферритовая бусина», указывая, какой компонент является вашим волшебным решением для ЭМП, и обычно без указания, как или где разместить компонент.

Смысл использования феррита заключается в том, чтобы воспользоваться высокой магнитной восприимчивостью ферримагнитных материалов для подавления шумов и излучения. Эти материалы имеют высокое значение μ в стандартном уравнении индуктивности. Когда они используются как индукторы, высокое значение μ обеспечивает большую индуктивность для физически маленького устройства. Чтобы разобраться во всей этой путанице, давайте рассмотрим каждый из этих вариантов феррита, чтобы увидеть, какой из них лучше всего подходит для вашей системы.

Ферритовое Сердечник

Это самое распространенное упоминание ферритового буса, которое вы найдете на форумах, в руководствах и в других местах. Мы часто плохо различаем его с индуктором, монтажным ферритовым чип-бусом и общережимным дросселем по причинам, которые мы увидим через мгновение. Некоторые производители ферритов могут называть это ферритовым дросселем или ферритовым зажимом вместо ферритового сердечника, и это становится запутанным, потому что некоторые производители могут взаимозаменяемо использовать эти термины для чего-то другого (либо общережимных, либо дифференциальных дросселей, либо чип-ферритов). Будьте внимательны к этому, когда рассматриваете использование тороидальных ферритов для зажима силовых кабелей и при просмотре продукции на веб-сайте производителя.

Независимо от термина, используемого для обозначения этого компонента, его предполагается размещать на силовом кабеле, входящем в систему, с идеей подавления проводимых общережимных помех, исходящих от сети. Иногда вы можете видеть это как тороидальный сердечник, обвивающий выходной кабель от вашего DC-адаптера питания. Если вы читаете это на своем ноутбуке, скорее всего, на силовом кабеле есть ферритовый сердечник.

Чип-ферриты

Эти компоненты по сути предназначены для использования в качестве индукторов с ферритовым сердечником в маленьком корпусе для поверхностного монтажа со стандартизированным расположением контактных площадок. Их также часто называют "ферритовыми бусинами в чип-корпусе", поэтому важно провести различие с обычным ферритовым сердечником, который можно найти на сетевом шнуре. Смысл этих компонентов заключается в предоставлении высокой индуктивности в физически маленьком корпусе, гораздо меньшем, чем то, что вы могли бы видеть для типичной катушки индуктивности с воздушным сердечником.

Ферритовые чипы также могут поставляться в виде компонентов с низким профилем, обеспечивающих фильтрацию помех общего или дифференциального режима. Частоты среза для этих компонентов могут достигать сотен МГц. Важно отметить, что значения импеданса будут различаться для шумов дифференциального режима по сравнению с шумами общего режима. Например, посмотрите на кривую импеданса для ферритовой бусины в чип-корпусе ниже. Импеданс общего режима показывает типичное поведение однополюсного индуктора, но компонент дифференциального режима все еще имеет высокий импеданс, что ограничивает использование этого типа компонента в качестве фильтра дифференциального режима, если вас беспокоит фильтрация до частот ~ГГц.

Ферритовые пластины

Эти компоненты представляют собой буквально пластины или диски из ферримагнитного материала, и они размещаются в корпусе рядом с проблемным компонентом. Распространенное применение находят в силовой электронике для нейтрализации помех от коммутации без добавления фильтрующей схемы в планировку. Эти материалы могут обеспечивать защиту от индуктивно связанных помех, возникающих от источника с высоким dI/dt, например, как в случае с высокотоковым коммутируемым источником питания. Они также обеспечивают подавление излучаемых ЭМП, действуя как стандартный материал для экранирования. Однако, убедитесь в проверке значения μ в зависимости от частоты для этих материалов, чтобы определить эффективность экранирования.

Дроссели Общего Режима

Чаще всего они упоминаются как пара связанных индукторов, эти компоненты включают в себя цилиндрическое ферритовое сердечник с намотанной проволокой для фильтрации помех общего режима, хотя изменение направления намотки на одном из этих компонентов обеспечит фильтрацию дифференциального режима. Эти компоненты могут использоваться с другими реактивными компонентами для обеспечения фильтрации смешанного режима на 2-м порядке и выше. Ниже показана типичная схема, обеспечивающая фильтрацию шума общего и дифференциального режима с уменьшением на 12 дБ/октаву.

Резюме

Использование ферритовых бусин иногда объясняется не совсем четко, хотя в общем и целом принято считать, что их задача - подавление ЭМИ. На самом деле ферритовые бусины не являются универсальным средством для решения всех проблем с ЭМИ, и в некоторых случаях их установка в цепь может создать новую проблему с ЭМИ из-за поведения реальных ферритовых бусин как полосовых заградителей. Подавление ЭМИ - это процесс более сложный, чем просто размещение ферритовой бусины на силовом кабеле или на силовом выводе микросхемы, как описывает Келла Нак в недавней статье. Как правило, вам потребуется более одного решения, нацеленного на разные диапазоны частот, но только после того, как вы следовали некоторым лучшим практикам размещения для низкого уровня ЭМИ.

Если вы обнаружите, что вам нужно установить ферритовый бус, сердечник, пластину или SMD феррит на вашу печатную плату, используйте инструменты CAD в Altium Designer® для размещения и трассировки компонентов на вашей плате. Когда вам нужно сравнить эффективность вашей системы с ферритами и без них на плате, вы можете использовать расширение EDB Exporter для импорта дизайна в полевые решатели Ansys и выполнения ряда симуляций SI/PI. Когда вы закончите свой дизайн и захотите отправить файлы вашему производителю, платформа Altium 365™ упрощает совместную работу и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.