Ferrite Beads làm việc như thế nào và làm thế nào để chọn đúng loại?

Đôi khi, tôi ước gì mình có thể nhìn thấy sóng điện từ. Điều đó sẽ làm cho việc phát hiện EMI trở nên dễ dàng hơn nhiều. Thay vì phải mất công với những thiết lập phức tạp và máy phân tích tín hiệu, tôi chỉ cần nhìn và biết được vấn đề nằm ở đâu. Mặc dù chúng ta có thể không nhìn thấy EMI, nhưng đôi khi chúng ta có thể nghe thấy nó khi nó đi qua các mạch âm thanh. Một giải pháp có thể cho loại nhiễu đó là một hạt ferrite.

Rất tiếc, hạt ferrite (còn được gọi là cuộn cảm ferrite, kẹp ferrite, vòng cổ ferrite, hạt lọc EMI, hoặc thậm chí là bộ lọc vòng ferrite) có thể là một bí ẩn. Chức năng lõi ferrite tương tự như một cuộn cảm, nhưng phản ứng tần số của lõi ferrite lại lệch khỏi chức năng này ở các tần số cao. Ngoài ra, các loại hạt khác nhau, như hạt ferrite quấn dây và hạt ferrite dạng chip, cung cấp các phản ứng khác nhau đối với việc giảm nhiễu. Ví dụ, hạt ferrite quấn dây hoạt động trên một phạm vi tần số rộng nhưng cung cấp ít sức cản trong các cấu hình dòng điện trực tiếp. Để sử dụng chúng một cách đúng đắn, bạn cần phải hiểu các đặc tính điện từ của chúng và cách chúng thay đổi trong quá trình sử dụng. Sau khi bạn nắm vững lý thuyết đằng sau việc sử dụng hạt ferrite, bạn có thể chọn một cách có chủ ý cho bảng mạch của mình. Nếu bạn không làm vậy, bạn có thể gây ra nhiều vấn đề hơn là giải quyết.

Hình ảnh này cho thấy tại sao một hạt ferrite đôi khi được gọi là vòng ferrite hoặc cuộn cảm ferrite

Hạt Ferrite là gì và Hạt Ferrite Hoạt Động Như Thế Nào?

Hạt ferrite là các linh kiện điện tử bị động có thể loại bỏ tín hiệu tần số cao trên đường dây cung cấp điện. Chúng thường được đặt xung quanh cặp dây điện/đất đang vào một thiết bị cụ thể, như dây nguồn cho laptop của bạn. Những hạt này hoạt động dựa trên Định luật Faraday: lõi từ xung quanh một dẫn điện gây ra một suất điện động ngược trong trường hợp có tín hiệu tần số cao, cơ bản là làm giảm phản ứng tần số của ferrite. Hạt ferrite tiêu chuẩn có thể được mua từ các nhà sản xuất chuyên biệt như Coilcraft, mặc dù một số dự án có thể yêu cầu hạt ferrite tùy chỉnh.

Ferrites là vật liệu từ, và việc đặt vật liệu này trong một kẹp ferrite xung quanh dây cung cấp điện/đất cung cấp một nguồn trở kháng cảm ứng cho các tín hiệu đi qua dây. Điều đó có thể khiến bạn nghĩ đến chúng như một cuộn cảm tiêu chuẩn, nhưng chúng phức tạp hơn thế. Trên thực tế, một hạt ferrite là một linh kiện phi tuyến; trở kháng mà nó cung cấp thay đổi khi dòng tải và sụt áp qua ferrite thay đổi. Mô hình mạch đơn giản của một hạt ferrite sẽ giúp bạn hiểu được đặc tính tần số của nó. Tuy nhiên, hãy nhớ rằng những thuộc tính này có thể thay đổi tùy thuộc vào dòng điện và nhiệt độ.

Dòng tải có thể thay đổi trở kháng của hạt ferrite của bạn.

Hạt Ferrite Được Sử Dụng Để Làm Gì?

Do vì trở kháng của hạt ferrite mang tính cảm ứng, các cuộn cảm hạt ferrite được sử dụng để giảm bớt tín hiệu tần số cao trong các linh kiện điện tử. Khi một cuộn dây chống nhiễu ferrite được đặt trên đường dây nguồn kết nối với thiết bị điện tử, nó loại bỏ bất kỳ nhiễu tần số cao không mong muốn nào có mặt trên kết nối nguồn hoặc được phát ra từ nguồn cung cấp DC. Việc sử dụng kẹp ferrite này là một trong nhiều phương pháp tiếp cận để giảm nhiễu, như từ nguồn cung cấp điện chuyển mạch. Ứng dụng này của hạt ferrite như một bộ lọc ferrite cung cấp khả năng giảm bớt và loại bỏ EMI dẫn.

Trong số các ứng dụng khác nhau của hạt ferrite như bộ lọc, một hạt lọc EMI/bộ lọc nguồn cung cấp thường được đánh giá cho một ngưỡng dòng DC nhất định. Dòng điện lớn hơn giá trị được chỉ định có thể làm hỏng linh kiện. Điều phiền toái là giới hạn này bị ảnh hưởng nghiêm trọng bởi nhiệt độ. Khi nhiệt độ tăng lên, dòng định mức giảm nhanh chóng. Dòng định mức cũng ảnh hưởng đến trở kháng của ferrite. Khi dòng DC tăng lên, một hạt ferrite sẽ "bão hòa" và mất đi cảm ứng. Ở dòng điện tương đối cao, bão hòa có thể giảm trở kháng hạt ferrite lên đến 90%.

Hạt Ferrite so với Cuộn Cảm

Mặc dù một hạt ferrite có thể được mô hình hóa như một cuộn cảm, nhưng hạt ferrite không hoạt động giống như một cuộn cảm thông thường. Nếu bạn đang tự hỏi làm thế nào để đo lường hành vi của hạt ferrite so với hành vi của cuộn cảm, bạn sẽ gửi một tín hiệu tương tự qua hạt và quét tần số qua nhiều bậc lớn. Nếu bạn tạo một biểu đồ Bode cho các phép đo quét tần số của hạt ferrite, bạn sẽ thấy rằng hạt ferrite cung cấp độ giảm dốc mạnh mẽ hơn ở tần số cao so với cuộn cảm có hành vi tần số thấp tương tự.

Một mô hình đơn giản nhưng chính xác của một hạt ferrite được kết nối với nguồn điện xoay chiều.

Một hạt ferrite có thể được mô hình hóa như là tụ điện và cuộn cảm, và cũng là một điện trở song song với mạng RLC này được nối với một điện trở nối tiếp. Điện trở nối tiếp này định lượng khả năng chống lại dòng điện một chiều của thiết bị. Cuộn cảm trong mô hình này đại diện cho chức năng chính của hạt ferrite là giảm tín hiệu tần số cao, tức là cung cấp trở kháng cảm thông qua Định luật Faraday. Điện trở song song trong mô hình này tính đến sự mất mát trong dòng điện xoáy được kích thích bên trong hạt ferrite ở tần số cao. Cuối cùng, tụ điện trong mô hình này tính đến dung kháng tự nhiên của linh kiện.

Khi xem xét đường cong trở kháng hạt ferrite, trở kháng chủ yếu là điện trở rất cao chỉ trong một dải hẹp. Độ tự cảm của hạt ferrite chiếm ưu thế trong dải hẹp này. Ở tần số cao hơn, trở kháng hạt ferrite bắt đầu xuất hiện tính dung và trở kháng giảm nhanh chóng. Cuối cùng, khi tần số tiếp tục tăng, trở kháng dung sẽ giảm xuống một giá trị rất nhỏ, và trở kháng hạt ferrite xuất hiện hoàn toàn như điện trở.

Lõi ferrite trong một hạt ferrite có chức năng tương tự như lõi ferrite trong một máy biến áp.

Hướng dẫn Chọn Hạt Ferrite

Giờ đây, khi bạn đã hiểu về lý thuyết ferrite, đã đến lúc chọn một hạt ferrite cho thiết bị của bạn. Điều này không quá khó khăn, và nếu bạn muốn biết cách chọn hạt ferrite cho một thiết kế, bạn chỉ cần chú ý đến các thông số kỹ thuật của hạt. Bạn có thể tự hỏi, liệu hạt ferrite có cần thiết cho thiết kế của tôi không? Như nhiều quyết định kỹ thuật, câu trả lời không hề đơn giản. Nếu bạn biết rằng bảng mạch của mình sẽ gặp phải EMI dẫn truyền trong một phạm vi tần số cụ thể, và bạn cần giảm bớt các tần số này, thì hạt ferrite có thể là lựa chọn đúng đắn cho thiết kế của bạn.

Dựa vào hành vi cảm ứng của hạt ferrite, tự nhiên chúng ta có thể kết luận rằng hạt ferrite "làm giảm tần số cao" mà không cần suy nghĩ nhiều hơn. Tuy nhiên, hạt ferrite không hoạt động như một bộ lọc thông thấp băng rộng vì chúng chỉ có thể giúp giảm một phạm vi tần số cụ thể. Bạn phải chọn một loại hạt ferrite và cuộn cảm mà tần số không mong muốn của bạn nằm trong băng tải trở của nó. Nếu bạn chọn một tần số quá thấp hoặc quá cao, hạt sẽ không có hiệu quả mong muốn.

Trước khi chọn một hạt ferrite cụ thể cho thiết kế của bạn, bạn nên xem nhà sản xuất có thể cung cấp cho bạn đường cong trở kháng so với dòng tải cho hạt ferrite hay không. Đây là công cụ tốt nhất bạn có thể sử dụng nếu bạn không chắc cách chọn hạt ferrite. Nếu dòng tải của bạn rất cao, bạn sẽ cần chọn một hạt ferrite có thể chịu được chúng mà không bão hòa và mất trở kháng trong phạm vi tần số mong muốn.

Cảnh báo

Hạt ferrite và cuộn cảm ferrite về cơ bản là tải trở ở tần số cao, điều này có nghĩa là chúng có thể gây ra một số vấn đề trong mạch của bạn. Khi đặt một hạt, bạn cần phải suy nghĩ về sự sụt giảm điện áp và tản nhiệt.

Trong những ngày của mạch điện áp cao, sự sụt áp không phải là vấn đề lớn. Ngày nay, chúng ta có rất nhiều mạch công suất thấp có thể sử dụng điện áp khoảng 2 V. Ở những mức đó, bạn không thể chấp nhận mất mát nhiều. Hạt Ferrite gây ra sự sụt áp DC trong mạch của bạn. Có thể nó không có vẻ như nhiều, nhưng nếu các mạch tích hợp (ICs) của bạn có trạng thái rút dòng cao ngắn hạn, sự mất mát có thể trở nên đáng kể. Đặt hạt Ferrite của bạn ở những nơi chúng không gây ra vấn đề sụt áp.

Vì vật liệu lõi Ferrite có tính cảm kháng ở tần số cao, chúng chủ yếu tiêu hao năng lượng hấp thụ dưới dạng nhiệt. Nhiệt này không nhất thiết là vấn đề đối với PCB của bạn khi một cuộn cảm Ferrite được sử dụng trên đường dây cung cấp điện, nhưng nó có thể trở thành vấn đề khi nó được sử dụng để tiêu hao tần số cao ở dòng điện cao. Nếu hệ thống của bạn đặc biệt ồn ào và hạt sẽ hấp thụ nhiều tần số cao, nhiệt này có thể trở thành vấn đề nhiều hơn. Hãy chắc chắn tính đến khả năng tản nhiệt của hạt.

Trở kháng của hạt Ferrite sẽ thay đổi theo nhiệt độ.

Hạt ferrite có thể rất hữu ích, nhưng chỉ khi bạn hiểu chính xác cách chúng hoạt động. Hãy nhớ rằng chúng làm giảm tín hiệu trong một dải nhỏ và hiệu quả của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ và dòng tải. Để sử dụng hạt ferrite một cách tốt nhất, bạn nên đảm bảo rằng nó đáp ứng chính xác các thông số kỹ thuật của bạn. Sau đó, khi đặt hạt ferrite, hãy chắc chắn tính đến sự sụt áp và nhiệt độ.

Chúng tôi thường thảo luận về tầm quan trọng và chức năng của hạt ferrite. Nếu bạn muốn biết thêm thông tin về hạt ferrite hoặc lõi ferrite, hãy xem Mọi Thứ Bạn Cần Biết Về Hạt Ferrite của chuyên gia ngành Kella Knack.

Việc đối phó với những thứ như hạt ferrite có thể khó khăn, nhưng thiết kế bảng mạch in của bạn không nhất thiết phải như vậy. Altium Designer^® là phần mềm thiết kế mạch in PCB tiên tiến với các công cụ có thể giúp bạn xây dựng bảng mạch tối ưu. Nó thậm chí còn có các tiện ích bổ sung như mạng lưới cung cấp điện, có thể giúp bạn đối phó với các vấn đề như sụt áp và tản nhiệt.

Có thêm câu hỏi về hạt ferrite hoặc lõi ferrite? Hãy gọi cho chuyên gia tại Altium.