berita

Situasi umum: Seorang insinyur desain memasukkan manik ferit ke dalam sirkuit yang mengalami masalah EMC, hanya untuk menemukan bahwa manik tersebut sebenarnya membuat kebisingan yang tidak diinginkan menjadi lebih buruk. Bagaimana ini bisa terjadi? Bukankah seharusnya manik ferit menghilangkan energi kebisingan tanpa memperburuk masalah?
Jawaban atas pertanyaan ini cukup sederhana, namun mungkin tidak dipahami secara luas kecuali bagi mereka yang menghabiskan sebagian besar waktunya memecahkan masalah EMI. Sederhananya, manik-manik ferit bukanlah manik-manik ferit, bukan manik-manik ferit, dll. Kebanyakan produsen manik-manik ferit menyediakan tabel yang mencantumkan nomor bagiannya, impedansi pada frekuensi tertentu (biasanya 100 MHz), resistansi DC (DCR), arus pengenal maksimum, dan beberapa dimensi Informasi (lihat Tabel 1). Semuanya hampir standar. Apa yang tidak ditampilkan dalam data lembar adalah informasi material dan karakteristik kinerja frekuensi yang sesuai.
Manik-manik ferit merupakan perangkat pasif yang dapat menghilangkan energi kebisingan dari rangkaian dalam bentuk panas. Manik-manik magnetik menghasilkan impedansi dalam rentang frekuensi yang luas, sehingga menghilangkan seluruh atau sebagian energi kebisingan yang tidak diinginkan dalam rentang frekuensi ini. Untuk aplikasi tegangan DC ( seperti saluran Vcc pada IC), diinginkan untuk memiliki nilai resistansi DC yang rendah untuk menghindari kehilangan daya yang besar pada sinyal dan/atau sumber tegangan atau arus yang diperlukan (kerugian I2 x DCR). Namun, diinginkan untuk memiliki impedansi tinggi dalam rentang frekuensi tertentu yang ditentukan. Oleh karena itu, impedansi terkait dengan bahan yang digunakan (permeabilitas), ukuran manik ferit, jumlah belitan, dan struktur belitan. Tentu saja, dalam ukuran rumahan tertentu dan bahan spesifik yang digunakan , semakin banyak belitan, semakin tinggi impedansinya, tetapi karena panjang fisik kumparan internal lebih panjang, maka resistansi DC juga akan lebih tinggi. Arus pengenal komponen ini berbanding terbalik dengan resistansi DC-nya.
Salah satu aspek dasar penggunaan manik-manik ferit dalam aplikasi EMI adalah bahwa komponen tersebut harus berada dalam fase resistansi. Apa artinya? Sederhananya, ini berarti “R” (resistansi AC) harus lebih besar dari “XL” (induktif) reaktansi).Pada frekuensi di mana XL> R (frekuensi lebih rendah), komponen lebih mirip induktor daripada resistor.Pada frekuensi R> XL, bagian tersebut berperilaku sebagai resistor, yang merupakan karakteristik yang diperlukan dari manik-manik ferit. frekuensi di mana “R” menjadi lebih besar dari “XL” disebut frekuensi “crossover”. Hal ini ditunjukkan pada Gambar 1, di mana frekuensi crossover dalam contoh ini adalah 30 MHz dan ditandai dengan panah merah.
Cara lain untuk melihat hal ini adalah dengan mengetahui kinerja sebenarnya komponen selama fase induktansi dan resistansinya. Seperti halnya aplikasi lain yang impedansi induktornya tidak cocok, sebagian sinyal yang masuk dipantulkan kembali ke sumbernya. Hal ini dapat memberikan perlindungan untuk peralatan sensitif di sisi lain manik ferit, tetapi juga memasukkan "L" ke dalam sirkuit, yang dapat menyebabkan resonansi dan osilasi (dering). Oleh karena itu, ketika manik magnet masih bersifat induktif, sebagian sebagian energi kebisingan akan dipantulkan dan sebagian energi kebisingan akan lewat, tergantung pada nilai induktansi dan impedansi.
Ketika manik ferit berada dalam fase resistifnya, komponen berperilaku seperti resistor, sehingga menghalangi energi kebisingan dan menyerap energi tersebut dari rangkaian, dan menyerapnya dalam bentuk panas. Meskipun dibuat dengan cara yang sama seperti beberapa induktor, menggunakan proses yang sama, jalur produksi dan teknologi, permesinan, dan beberapa bahan komponen yang sama, butiran ferit menggunakan bahan ferit lossy, sedangkan induktor menggunakan bahan oksigen besi dengan loss rendah. Hal ini ditunjukkan pada kurva pada Gambar 2.
Gambar tersebut menunjukkan [μ''], yang mencerminkan perilaku bahan manik ferit yang hilang.
Fakta bahwa impedansi diberikan pada 100 MHz juga merupakan bagian dari masalah seleksi. Dalam banyak kasus EMI, impedansi pada frekuensi ini tidak relevan dan menyesatkan. Nilai “titik” ini tidak menunjukkan apakah impedansi bertambah atau berkurang. , menjadi datar, dan impedansi mencapai nilai puncaknya pada frekuensi ini, dan apakah material tersebut masih dalam fase induktansi atau telah berubah menjadi fase resistansi. Faktanya, banyak pemasok manik ferit menggunakan beberapa bahan untuk manik ferit yang sama, atau setidaknya seperti yang ditunjukkan pada lembar data. Lihat Gambar 3. Kelima kurva pada gambar ini ditujukan untuk manik-manik ferit 120 ohm yang berbeda.
Kemudian yang harus diperoleh pengguna adalah kurva impedansi yang menunjukkan karakteristik frekuensi manik ferit. Contoh kurva impedansi tipikal ditunjukkan pada Gambar 4.
Gambar 4 menunjukkan fakta yang sangat penting. Bagian ini ditetapkan sebagai manik ferit 50 ohm dengan frekuensi 100 MHz, tetapi frekuensi crossovernya sekitar 500 MHz, dan mencapai lebih dari 300 ohm antara 1 dan 2,5 GHz. Sekali lagi, cukup melihat lembar data tidak akan membuat pengguna mengetahui hal ini dan mungkin menyesatkan.
Seperti terlihat pada gambar, sifat materialnya bermacam-macam. Ada banyak varian ferit yang digunakan untuk membuat manik-manik ferit. Beberapa material adalah high loss, broadband, frekuensi tinggi, insertion loss rendah dan sebagainya. Gambar 5 menunjukkan pengelompokan umum berdasarkan frekuensi dan impedansi aplikasi.
Masalah umum lainnya adalah perancang papan sirkuit terkadang terbatas pada pemilihan manik-manik ferit dalam database komponen yang disetujui. Jika perusahaan hanya memiliki sedikit manik-manik ferit yang telah disetujui untuk digunakan pada produk lain dan dianggap memuaskan, dalam banyak kasus, tidak perlu mengevaluasi dan menyetujui bahan-bahan lain dan nomor bagian. Di masa lalu, hal ini telah berulang kali menyebabkan beberapa efek yang memperburuk masalah kebisingan EMI asli yang dijelaskan di atas. Metode yang sebelumnya efektif mungkin dapat diterapkan pada proyek berikutnya, atau mungkin mungkin tidak efektif. Anda tidak bisa begitu saja mengikuti solusi EMI dari proyek sebelumnya, terutama ketika frekuensi sinyal yang diperlukan berubah atau frekuensi komponen radiasi potensial seperti peralatan jam berubah.
Jika Anda melihat dua kurva impedansi pada Gambar 6, Anda dapat membandingkan efek material dari dua bagian serupa.
Untuk kedua komponen ini impedansinya pada 100 MHz adalah 120 ohm. Untuk bagian sebelah kiri menggunakan bahan “B”, impedansi maksimumnya sekitar 150 ohm, dan diwujudkan pada 400 MHz. Untuk bagian sebelah kanan , menggunakan material "D", impedansi maksimumnya adalah 700 ohm, yang dicapai pada sekitar 700 MHz. Namun perbedaan terbesar adalah frekuensi crossover. Transisi material "B" dengan kerugian sangat tinggi pada 6 MHz (R> XL) , sedangkan material “D” berfrekuensi sangat tinggi tetap induktif pada sekitar 400 MHz. Bagian mana yang benar untuk digunakan? Tergantung pada masing-masing aplikasi.
Gambar 7 menunjukkan semua masalah umum yang terjadi ketika manik ferit yang salah dipilih untuk menekan EMI. Sinyal tanpa filter menunjukkan undershoot 474,5 mV pada pulsa 3,5V, 1 uS.
Akibat penggunaan material tipe high-loss (plot tengah), undershoot pengukuran meningkat karena frekuensi crossover bagian yang lebih tinggi. Sinyal undershoot meningkat dari 474,5 mV menjadi 749,8 mV. Material Super High Loss memiliki frekuensi crossover rendah dan kinerja bagus. Ini akan menjadi material yang tepat untuk digunakan dalam aplikasi ini (gambar di sebelah kanan). Undershoot menggunakan bagian ini dikurangi menjadi 156,3 mV.
Ketika arus searah yang melalui manik-manik meningkat, bahan inti mulai menjadi jenuh. Untuk induktor, arus ini disebut arus saturasi dan ditentukan sebagai persentase penurunan nilai induktansi. Untuk manik-manik ferit, ketika bagian berada dalam fase resistansi, maka efek saturasi tercermin dalam penurunan nilai impedansi dengan frekuensi. Penurunan impedansi ini mengurangi efektivitas manik-manik ferit dan kemampuannya untuk menghilangkan kebisingan EMI (AC). Gambar 8 menunjukkan serangkaian kurva bias DC khas untuk manik-manik ferit.
Dalam gambar ini, manik ferit diberi nilai 100 ohm pada 100 MHz. Ini adalah impedansi terukur tipikal ketika bagian tersebut tidak memiliki arus DC. Namun, dapat dilihat bahwa setelah arus DC diterapkan (misalnya, untuk IC VCC masukan), impedansi efektif turun tajam. Pada kurva di atas, untuk arus 1,0 A, impedansi efektif berubah dari 100 ohm menjadi 20 ohm.100 MHz. Mungkin tidak terlalu kritis, tetapi sesuatu yang harus diperhatikan oleh insinyur desain. Demikian pula, dengan hanya menggunakan data karakteristik listrik komponen dalam lembar data pemasok, pengguna tidak akan menyadari fenomena bias DC ini.
Seperti induktor RF frekuensi tinggi, arah belitan kumparan bagian dalam pada manik ferit memiliki pengaruh yang besar terhadap karakteristik frekuensi manik. Arah belitan tidak hanya mempengaruhi hubungan antara impedansi dan tingkat frekuensi, tetapi juga mengubah respons frekuensi. Pada Gambar 9, dua manik ferit 1000 ohm ditunjukkan dengan ukuran housing yang sama dan bahan yang sama, namun dengan dua konfigurasi belitan yang berbeda.
Kumparan bagian kiri dililitkan pada bidang vertikal dan ditumpuk pada arah horizontal, yang menghasilkan impedansi lebih tinggi dan respons frekuensi lebih tinggi daripada bagian di sisi kanan yang dililitkan pada bidang horizontal dan ditumpuk dalam arah vertikal. Hal ini antara lain disebabkan oleh ke reaktansi kapasitif (XC) yang lebih rendah terkait dengan berkurangnya kapasitansi parasit antara terminal ujung dan kumparan internal. XC yang lebih rendah akan menghasilkan frekuensi resonansi diri yang lebih tinggi, dan kemudian memungkinkan impedansi manik ferit terus meningkat hingga mencapai mencapai frekuensi resonansi diri yang lebih tinggi, yang lebih tinggi dari struktur standar manik ferit Nilai impedansinya. Kurva dari dua manik ferit 1000 ohm di atas ditunjukkan pada Gambar 10.
Untuk lebih menunjukkan pengaruh pemilihan manik ferit yang benar dan salah, kami menggunakan rangkaian pengujian sederhana dan papan pengujian untuk mendemonstrasikan sebagian besar konten yang dibahas di atas. Pada Gambar 11, papan pengujian menunjukkan posisi tiga manik ferit dan titik pengujian ditandai “A”, “B” dan “C”, yang terletak pada jarak dari perangkat keluaran pemancar (TX).
Integritas sinyal diukur pada sisi keluaran manik-manik ferit di masing-masing dari tiga posisi, dan diulangi dengan dua manik-manik ferit yang terbuat dari bahan berbeda. Bahan pertama, bahan “S” lossy frekuensi rendah, diuji pada titik-titik “A”, “B” dan “C”. Selanjutnya, bahan “D” dengan frekuensi lebih tinggi digunakan. Hasil point-to-point menggunakan dua manik ferit ini ditunjukkan pada Gambar 12.
Sinyal “melalui” tanpa filter ditampilkan di baris tengah, menunjukkan beberapa overshoot dan undershoot pada masing-masing tepi naik dan turun. Dapat dilihat bahwa menggunakan material yang tepat untuk kondisi pengujian di atas, material lossy frekuensi rendah menunjukkan overshoot yang baik dan peningkatan sinyal undershoot pada tepi naik dan turun. Hasil ini ditunjukkan pada baris atas Gambar 12. Hasil penggunaan bahan frekuensi tinggi dapat menyebabkan dering, yang memperkuat setiap level dan meningkatkan periode ketidakstabilan. Hasil pengujian ini adalah ditampilkan di baris paling bawah.
Jika melihat peningkatan EMI dengan frekuensi di bagian atas yang direkomendasikan (Gambar 12) pada pemindaian horizontal yang ditunjukkan pada Gambar 13, terlihat bahwa untuk semua frekuensi, bagian ini secara signifikan mengurangi lonjakan EMI dan mengurangi tingkat kebisingan keseluruhan pada 30 hingga kira-kira Pada rentang 350 MHz, level yang dapat diterima jauh di bawah batas EMI yang disorot oleh garis merah. Ini adalah standar peraturan umum untuk peralatan Kelas B (FCC Bagian 15 di Amerika Serikat). Bahan “S” yang digunakan dalam manik-manik ferit secara khusus digunakan untuk frekuensi yang lebih rendah ini. Dapat dilihat bahwa ketika frekuensi melebihi 350 MHz, maka Material “S” memiliki dampak yang terbatas pada tingkat kebisingan EMI asli yang tidak difilter, namun material ini mengurangi lonjakan besar pada 750 MHz sekitar 6 dB. Jika bagian utama dari masalah kebisingan EMI lebih tinggi dari 350 MHz, Anda perlu pertimbangkan penggunaan bahan ferit frekuensi lebih tinggi yang impedansi maksimumnya lebih tinggi dalam spektrum.
Tentu saja, semua dering (seperti yang ditunjukkan pada kurva bawah Gambar 12) biasanya dapat dihindari dengan pengujian kinerja aktual dan/atau perangkat lunak simulasi, namun artikel ini diharapkan akan memungkinkan pembaca untuk menghindari banyak kesalahan umum dan mengurangi kebutuhan untuk pilih Waktu manik ferit yang benar, dan berikan titik awal yang lebih “terdidik” ketika manik ferit diperlukan untuk membantu memecahkan masalah EMI.
Terakhir, yang terbaik adalah menyetujui serangkaian atau rangkaian manik-manik ferit, bukan hanya satu nomor bagian, untuk lebih banyak pilihan dan fleksibilitas desain. Perlu dicatat bahwa pemasok yang berbeda menggunakan bahan yang berbeda, dan kinerja frekuensi setiap pemasok harus ditinjau. , terutama ketika beberapa pembelian dilakukan untuk proyek yang sama. Agak mudah untuk melakukan ini pertama kali, namun setelah bagian-bagian tersebut dimasukkan ke dalam database komponen di bawah nomor kontrol, bagian-bagian tersebut kemudian dapat digunakan di mana saja. Yang penting kinerja frekuensi suku cadang dari pemasok berbeda sangat mirip untuk menghilangkan kemungkinan penerapan lain di masa mendatang. Masalah terjadi. Cara terbaik adalah dengan mendapatkan data serupa dari pemasok berbeda, dan setidaknya memiliki kurva impedansi. Ini juga akan memastikan bahwa manik-manik ferit yang benar digunakan untuk mengatasi masalah EMI Anda.
Chris Burket telah bekerja di TDK sejak tahun 1995 dan sekarang menjadi insinyur aplikasi senior, mendukung sejumlah besar komponen pasif. Dia telah terlibat dalam desain produk, penjualan teknis, dan pemasaran. Mr. Burket telah menulis dan menerbitkan makalah teknis di banyak forum.Mr. Burket telah memperoleh tiga paten AS pada sakelar dan kapasitor optik/mekanis.
In Compliance adalah sumber utama berita, informasi, pendidikan dan inspirasi bagi para profesional teknik elektro dan elektronik.
Dirgantara Otomotif Komunikasi Elektronik Konsumen Pendidikan Industri Energi dan Tenaga Teknologi Informasi Medis Militer dan Pertahanan Nasional