S-1006 : درک اهمیت انتخاب مواد مهره فریت

S-1006 : درک اهمیت انتخاب مواد مهره فریت

Understanding the Importance of Ferrite Bead Material Behavior

یک سناریوی رایج که ممکن است برای یک مهندس طراح رخ دهد این است که یک مهره فریت را به مداری با مشکلات EMC یا سازگاری الکترومغناطیسی وارد می کند. اما متوجه می‌شود که مهره فریت در واقع باعث بدتر شدن نویز ناخواسته شده است. چگونه ممکن است مهره های فریت که هدفشان از بین بردن انرژی نویز است، مشکل را بدتر کنند؟

پاسخ به این سوال نسبتاً ساده است اما ممکن است فقط توسط افرادی که زمان زیادی را صرف حل مشکلات EMI یا تداخل الکترومغناطیسی کرده اند، به طور کامل درک شود: به بیان خیلی ساده، هر مهره فریت، مهره فریت مناسب شما نیست!

اکثر سازندگان مهره های فریت جدول پارت نامبر این قطعه را ارائه می دهند. این جدول، امپدانس در برخی فرکانس های معین (معمولا 100 مگاهرتز)، مقاومت DC (DCR)، حداکثر نرخ جریان و برخی اطلاعات ابعادی را فهرست می کند (جدول1 را ببینید). با این وجود، اطلاعات مواد استفاده شده در قطعه و عملکرد مربوطه با توجه به فرکانس جز مواردی هستند که در جدول داده ها نشان داده نمی شوند.

مهره فریت چیست؟

مهره فریت وسیله ای غیرفعال (پسیو) است که انرژی نویز را به شکل گرما از مدار خارج می کند. مهره فریت امپدانس را در یک محدوده فرکانسی وسیع ایجاد و تمام یا بخشی از انرژی نویز نامطلوب را در آن محدوده فرکانسی حذف می کند. برای کاربردهای ولتاژ  DC(مانند خطوط Vcc برای آی‌سی ها)، مطلوب است که مقدار مقاومت DC پایینی داشته باشیم تا تلفات توان زیادی در سیگنال، منبع ولتاژ یا جریان مورد نظر نداشته باشیم (تلفات ). با این حال داشتن امپدانس بالا در برخی محدوده های فرکانسی مشخص، مطلوب است.

امپدانس به مواد مورد استفاده (نفوذ پذیری)، اندازه مهره فریت، تعداد سیم پیچ ها و ساختار سیم پیچ ربط دارد. بدیهی است که هر چه تعداد سیم‌پیچ‌ بیشتری در یک اندازه مشخص و برای یک ماده خاص مورد استفاده قرار گیرد، امپدانس بالاتری ایجاد می شود. اما این امر مقاومت DC بیشتری را نیز به همراه دارد، زیرا طول فیزیکی سیم‌پیچ داخلی طولانی‌تر است. جریان نامی قطعه با مقاومت DC آن نسبت عکس دارد.

یکی از جنبه های اساسی استفاده از مهره های فریت برای کاربردهای EMI این است که قطعه باید در وظعیت مقاومتی خود باشد. به بیان ساده  (مقاومت AC) باید بزرگتر از  (راکتانس القایی) باشد. در فرکانس هایی که  است (فرکانس های پایین تر)، قطعه بیشتر به عنوان یک سلف عمل می کند تا یک مقاومت. در فرکانس‌هایی که  است قطعه مانند یک مقاومت عمل می‌کند که و ضعیت مطلوب مهره فریت است.

فرکانسی که در آن  بزرگتر از می شود، فرکانس قطع نامیده می شود. این موضوع در شکل1 با فرکانس قطع 30 مگاهرتز که با فلش قرمز مشخص شده، نشان داده شده است.

موضوع مورد بحث دیگر این است که قطعه در وضعیت القایی و مقاومتی خود واقعاً چه کاری انجام می دهد. مانند سایر کاربردهایی که در آن عدم تطابق امپدانس با سلف ها وجود دارد، بخشی از سیگنال معرفی شده به منبع منعکس می شود.

این موضوع می تواند برای دستگاه های حساس در سمت دیگر مهره فریت محافظت ایجاد کند، اما همچنین یک ” “L را به مدار وارد می کند که می تواند باعث ایجاد تشدید و نوسانات شود. بنابراین وقتی مهره هنوز طبیعت القایی دارد، بسته به مقادیر اندوکتانس و امپدانس، بخشی از انرژی نویز منعکس شده و درصدی از آن عبور می کند.

هنگامی که مهره فریت در وضعیت مقاومتی خود است، همانطور که گفته شد مانند یک مقاومت رفتار می کند و بنابراین مانع از انرژی نویز می شود و این انرژی را به صورت گرما از مدار جذب می کند.

گرچه در برخی سلف‌ها نیز از فرآیندی مشابه، خطوط و تکنیک‌های تولید و ماشین‌آلات و حتی مواد یکسان مهره فریت استفاده می شود. اما مهره فریت از یک ماده فریت با اتلاف استفاده می‌کند در حالی که یک سلف از ماده فریت با اتلاف کم‌تری استفاده می‌کند. این موضوع در منحنی های شکل 2 نشان داده شده است.

پارامتر [u] برای انعکاس رفتار مواد فریت با اتلاف استفاده می شود.

تفاوت مواد فریت مختلف

یکی دیگر از مشکلات انتخاب مهره فریت مناسب این مسئله است که که امپدانس ها در 100 مگاهرتز داده می شوند. در بسیاری از موارد EMI، امپدانس در این فرکانس نامربوط و گمراه کننده است. مقدار این نقطه بیان نمی کند که آیا امپدانس در این فرکانس افزایش خواهد یافت یا کاهش؟ امپدانس یکنواخت پیش می رود یا دارای پیک است؟ آیا ماده هنوز در مرحله القایی خود است یا به مرحله مقاومتی خود تبدیل شده است؟  در واقع بسیاری از تامین کنندگان مهره فریت از مواد متعددی برای مهره های فریت موردنظر مشابه استفاده می کنند.

در شکل3، منحنی مهره های فریت 120 اهم متفاوتی را مشاهده می کنید.

پس کاربر باید منحنی امپدانس مهره فریت مورد نظر را تهیه کند. این منحنی ویژگی های فرکانسی مهره فریت را نشان می دهد. نمونه ای از منحنی امپدانس معمولی در شکل 4 نشان داده شده است.

شکل4 یک نکته بسیار مهم را نشان می دهد. این قطعه به عنوان یک مهره فریت 50 اهم در فرکانس 100 مگاهرتز مشخص شده است؛ اما فرکانس قطع آن تقریباً 500 مگاهرتز است و در فرکانس های بین 1 تا 2.5 گیگاهرتز به بیش از 300 اهم می رسد. در این مورد هم صرفاً مشاهده جدول داده ها این اطلاعات را به کاربر نمی دهد و کاربر می تواند در انتخاب قطعه مناسب دچار اشتباه شود.

همانطور که مشاهده می شود، مواد از نظر عملکرد متفاوت هستند. از فریت های مختلفی در ساخت مهره های فریت استفاده می شود. برخی از مواد دارای تلفات بالا و برخی اتلاف داخلی کمی دارند. همچنین برخی فرکانس گسترده ای دارند و برخی فرکانس بالا هستند. یک گروه بندی کلی بر اساس فرکانس و امپدانس عملکرد در شکل 5 نشان داده شده است.

یکی دیگر از مشکلات رایج این است که طراح برد گاهی در انتخاب مهره فریت از سمت پایگاه داده محصولات تأیید شده کمپانی اش محدود می شود. اگر شرکت فقط چند مهره  فریت تایید شده داشته باشد که بر روی سایر محصولات استفاده شده و رضایت بخش تشخیص داده شده است، در بسیاری از موارد نیازی به ارزیابی و تایید سایر مواد و شماره قطعه وجود ندارد. این موضوع بارها منجر به گزارش برخی اثرات بدتر از مشکل اصلی نویز EMI که در بالا ذکر شد، شده است.

قطعه ای که در پروژه های قبلی شما عملکرد صحیحی داشته ممکن است در پروژه بعدی جواب ندهد؛ به خصوص اگر فرکانس سیگنال مورد نظر تغییر کرده باشد یا در اجزای دارای پتانسیل تابشی مانند قطعات کلاک، تغییر فرکانس وجود داشته باشد.

مقایسه فرکانس های قطع

اگر نگاهی به دو منحنی امپدانس در شکل 6 بیندازیم، می توان مقایسه ای از اثرات مادی دو بخش مشابه و مشخص انجام داد.

برای هر دو بخش، امپدانس در فرکانس 100 مگاهرتز 120 اهم است. برای بخش سمت چپ که از ماده B”” استفاده شده است؛ حداکثر امپدانس حدود 150 اهم است و در فرکانس 400 مگاهرتز به دست می آید. برای بخش سمت راست، که از ماده D”” استفاده شده است؛ حداکثر امپدانس 700 اهم است و حدودا در فرکانس 700 مگاهرتز به دست می آید. اما بزرگترین تفاوت در فرکانس های قطع است.

تغییر وضعیت () ماده  Bکه یک ماده با اتلاف بسیار بالا است در 6 مگاهرتز رخ می دهد. در حالی که ماده D که یک ماده با فرکانس بالا است تا حدود 400 مگاهرتز القایی باقی می ماند. شاید برایتان این پرسش ایجاد شود که کدام ماده برای استفاده مناسب تر است؟ پاسخ به این پرسش به کاربرد مدنظر شما بستگی دارد.

مثال:

شکل 7 یکی از مشکلات بسیار رایج را نشان می دهد. این مشکل هنگامی رخ می دهد که مهره فریت اشتباهی برای سرکوب تداخل الکترومغناطیسی انتخاب شود. سیگنال فیلتر نشده، 474.5 فروجهش را روی یک پالس 1 میکروثانیه و 3.5 ولت نشان می دهد.

به دلیل استفاده از ماده با اتلاف بالا (تصویر وسط)، فرکانس قطع قطعه بالاتر و در نتیجه میزان فروجهش اندازه‌گیری شده افزایش یافته است. فروجهش سیگنال از 474.5 میلی ولت به 749.8 میلی ولت افزایش یافته است.

ماده با اتلاف بسیار بالا و با فرکانس قطع پایین‌تر، عملکرد خوبی دارد و ماده مناسبی برای استفاده در این کاربرد خواهد بود (تصویر سمت راست). فروجهش با استفاده از این قطعه به 156.3 میلی ولت کاهش می یابد.

پدیده بایاس dc

با افزایش جریان DC در مهره، مواد هسته شروع به اشباع شدن می کند. برای سلف ها، این جریان اشباع نامیده می شود و به صورت درصدی کاهش در مقدار اندوکتانس مشخص می شود. در حالی که در مهره های فریت، قطعه در وضعیت مقاومتی خود است و اثر اشباع در کاهش مقادیر امپدانس با توجه به فرکانس خود را نشان می دهد. این افت امپدانس اثربخشی مهره فریت و توانایی آن در حذف نویز را کاهش می دهد. شکل 8 مجموعه ای از منحنی های بایاس DC معمولی را برای یک مهره فریت نشان می دهد.

در این شکل، مهره فریت 100 اهم در 100 مگاهرتز نرخ گذاری شده است. این امپدانس  اندازه گیری شده معمول برای  زمان هایی است که جریان DC درون قطعه وجود ندارد. اما همانطور که مشاهده می شود، هنگامی که یک جریان DC اعمال شود (مانند ورودی IC های VCC )، امپدانس موثر کاهش می یابد. در منحنی های بالا برای جریان 1.0 آمپر و فرکانس 100 مگاهرتز،امپدانس از 100 اهم به 20 اهم می رسد.

شاید این موضوع خیلی مهم نباشد، اما طراح باید از آن آگاه باشد. مجددا باید بگوییم که با استفاده از اطلاعات دیتاشیت قطعات، کاربر هیچ اطلاعی از پدیده بایاس DC نخواهد داشت.

پاسخ فرکانسی در مقابل ساختار سیم پیچ

مانند القاگرهای RF فرکانس بالا، جهت سیم پیچی سیم پیچ های داخلی مهره فریت تاثیر زیادی بر رفتار فرکانسی مهره دارد. جهت سیم پیچی نه تنها بر امپدانس در مقابل سطوح فرکانس تأثیر می گذارد، بلکه پاسخ فرکانسی را نیز تغییر می دهد. در شکل 9، دو مهره فریت 1000 اهم را مشاهده می کنید.  این مهره ها از مواد یکسان و در اندازه مشابه اما با دو ساختار سیم پیچی متفاوت ساخته شده اند.

سیم پیچ های قسمت بالایی در صفحه عمودی پیچیده شده و در جهت افقی روی هم قرار گرفته اند. در حالیکه سیم پیچ های  قسمت پایین در صفحه افقی پیچیده شده و در جهت عمودی روی هم قرار گرفته اند. سیم پیج های بالا امپدانس و پاسخ فرکانسی بالاتری نسبت به سیم پیچ های قسمت پایین ایجاد می کنند. این  موضوع تا حدی به دلیل راکتانس خازنی کمتر () است. این راکتانس خازنی کمتر مرتبط با کاهش ظرفیت خازنی بین پایانه های انتهایی و سیم پیچ های داخلی است.

راکتانس خازنی کمتر یک فرکانس خود رزونانسی بالاتر را ایجاد می کند. این امر منجر به افزایش  امپدانس و رسیدن به راکتانس خازنی بیشتر می شود. همچنین منجر به ایجاد یک مقدار امپدانس بالاتر از حد قابل حصول با یک مهره فریت استاندارد، می شود.

منحنی های دو مهره فریت 1000 اهم فوق در شکل 10 نشان داده شده است.

نتایج تست واقعی

برای نمایش بیشتر تاثیر گزینش صحیح و ناصحیح مهره فریت، از یک مدار تست ساده و یک مدار برد تست ساده استفاده می شود. این مدار و برد تست بسیاری از مواردی که در بالا مورد بحث قرار گرفت را نشان می دهند.

در شکل 11، یک برد تست با سه محل قرارگیری مهره فریت نشان داده شده است. نقاط آزمایش با برچسب “A”، “B” و ” C” در فاصله 0 میلی متر، 50 میلی متر و 100 میلی متر به ترتیب از خروجی دستگاه فرستنده () قرار گرفته اند.

ویژگی های سیگنال در این تست به شرح زیر بود:

یکپارچگی سیگنال در سمت خروجی مهره فریت در هر یک از سه مکان اندازه گیری شد. اندازه گیری با دو مهره فریت ساخته شده از مواد مختلف تکرار شد. ابتدا یک ماده با اتلاف و فرکانس پایین “S” و در مرحله بعد، یک ماده فرکانس بالا D””  تست شد.

نتایج نقطه به نقطه با استفاده از این دو مهره فریت در شکل 12 نشان داده شده است.

نتیجه گیری

برای جلوگیری از بکارگیری مهره فریت اشتباه در نیازهای آتی شما ، توصیه می شود که همیشه به موارد زیر توجه کنید:

1. مشکلات نویز و منابع نویز مدار خود را مشخص کنید.
2. ماده با رفتار صحیح مطابق با نیاز خود را انتخاب کنید، به عنوان مثال: ماده پراتلاف و فرکانس پایین
3. تعیین trade-off مجاز برای مقاومت DC و امپدانس AC مورد نیاز.
4. منحنی امپدانس و سایر داده های قطعه را دریافت کنید.
5. به طور خودکار از مهره ای که قبلاً بکارگرفته اید، استفاده نکنید.
6. تصور نکنید که مهره فریت بهترین قطعه EMI جهت استفاده در پروژه شما خواهد بود.

مترجم : عاطفه احمدنیا

منبع : incompliancemag.com