Ферритовая бусина для чего нужна
Murata: Ферритовые бусины
ЧИП ферритовые бусины – это частотно зависимое сопротивление, используемое для подавления высокочастотных помех в схемах с быстрыми переключениями (при переключении транзисторов и диодов). Например, уменьшение паразитных колебаний при использовании диодов в схеме понижающего преобразователя, фильтр аналогового питания и др.
Ферритовые фильтры для поверхностного монтажа серии BLM компании Murata предназначены для подавления ЭМП в различных радиосхемах, где используются высокая плотность монтажа компонентов, высокие рабочие частоты, где требуется обеспечить высокий уровень помехоустойчивости и снижение уровня ЭМИ.
Обычно ферритовые бусины имеют форму полого цилиндра, в отверстие которого пропускается проводник или ножка радиокомпонента. Ферритовые фильтры для поверхностного монтажа выполняются по многослойной пленочной технологии. На каждый ферритовый слой наносится структура полувитка обмотки. При спекании слоев происходит соединение секций и формируется катушка с внутренним ферритовым стержнем. Такая конструкция позволяет увеличить сопротивление при малых габаритных размерах компонента.
Частотные характеристики ферритовых бусин
Ферритовые ЧИП бусины – это последовательно включенные индуктивность и сопротивление, по сути это индуктивности с большими потерями на перемагничивание (поэтому они изготавливаются из специальных ферритовых материалов). Чем чаще феррит перемагничивается, тем больше на нем выделяется тепла. Тепло выделяется на активном сопротивлении, а не на индуктивности. Т,о. импеданс чип бусины определяется как сумма активного и реактивного сопротивления. Зависимость этих сопротивлений от частоты указывается в документации на компоненты и подбирается под конкретную задачу.
Также, для правильного выбора фильтра необходимо учитывать спектр помех и требуемый уровень их подавления, а также диапазон рабочих токов.
Ферритовые бусины для низкочастотных применений
BL M 18 AG 121 S N 1 D
1. Ферритовые бусины Murata
2. Тип:
А – сборка
М – дискретный компонент
3. Типоразмер
02 – 01005
03 – 0201
15 – 0402
18 – 0603
21 – 0805
31 – 1206
32 – 1210
41 – 1806
4. Особенности применения
Ax – общего применения
Bx – для высокоскоростных линий передачи данных
Рх – для линий питания
RK – для цифровых интерфейсов
HG – для диапазона до 1ГГц
5. Номинальное сопротивление на частоте 100 МГц, Ом (первые две цифры значимые, третья – степень числа 10)
7. Категория: N – стандарт
8. Количество элементов: 1 – 1 элемент, 4 – сборка из 4х элементов
9. Упаковка: В – россыпью, К/J – на ленте 330 мм, L /D – на ленте 180 мм
Развязка питающего напряжения
Развязка земли
Фильтрация «звона» в шинах передачи данных и интерфейсных портах
Фильтрация помех на шинах тактовых сигналов
Тема: Имеет смысл ставить после ферритовой бусины конденсатор как часть LC фильтра?
Опции темы
Собственно, после просмотра даташитов на бусины появилась идея использовать совместно с ними кондеры для образования LC фильтра. По моему, он более эффективен. А может, кондер ставить перед бусиной, тогда помеха частью сольется сразу на землю, а часть уйдёт в тепло на феррите? Как всегда, проблема в нормальных бусинах, на ибее и пр. толкучках невозможно найти гарантированную марку феррита, поэтому хочу подстраховаться кондером, если бусина будет не на нужный диапазон.
Зайдите хотя бы в Чип и Дип, там бусины в ассортименте, на ферритах с характеристиками.
На счёт совместного использования с конденсаторами: возможно, только LC-фильтр будет иметь низкую добротность (в этом принцип работы ферритовой бусины: поглощать за полосой пропускания).
И все же, ставя кондер перед ферритрм, мы улучшаем подавление помех, причём в более широком диапазоне. Или это не делают?
Постановка вопроса слишком общая. Надо смотреть конкретную схему.
В целом же преимущество бусины в том, что она нерезонансным способом ослабляет ВЧ-помехи за счёт их преобразование в тепло. Этот способ канализации энергии ВЧ-помех очень правильный.
Не, если от балды, то сразу на 0 Ом, так надежней будет.
бусину вроде на провод надевают,какой резистор?
а вообще если LC фильтр,то кондер надо после индуктивности ставить,получается как бы частотно зависимый делитель
Это да, но по другой причине. (Если поставить конденсатор ДО бусины, тоже получится частотно-зависимый делитель, только токовый).
Если поставить конденсатор ДО бусины, ВЧ-токи будут циклировать мимо бусины по замкнутому контуру, одной из ветвей которого будет этот шунтирующий конденсатор, и при своем протекании создавать помехи за счет излучения. Кто работал с ВЧ, знает, как их трудно «задавить». Ты им прищемил хвост здесь, поставив шунтирующий конденсатор, а они переизлучились и загуляли в других местах. Чтобы этого избежать, нужно поглотить ВЧ энергию, перевести её в тепло. Вот это благое дело и выполняет ферритовая бусина, надетая на проводник, по которому течет сигнальный ток. Чтобы не мешать работе бусины, шунтирующий конденсатор нужно ставить после неё. Тогда, прежде чем стечь на землю, ВЧ-компонента пройдёт через бусину и ослабится, ВЧ-энергия частично перейдёт в тепло.
Др.ВАХ, куда вообще бусы нанизывать собрались, по питанию или в сигнальных цепях, если в последних, то конкретно, где?
Импульсные бп обычно сами по себе фонят в широком диапазоне. Вред ламповым схемам могут принести только самые низкочастотные наводки, т.к. большинство схем на лампах уже ничего не усиливают после нескольких сот килогерц. На таких сравнительно низких частотах бусины не работают, а большая часть помех поступает не по эфиру, а по проводам питания в синфазном и дифференциальном видах. Синфазная наводка еще и попадает на оплетку входного провода, наводя там напряжение помех.
Это не так. За счет комбинационных искажений и детектирования на нелинейностях схемы помехи частотой в десятки мегагерц могут «пролезть» в звуковой диапазон и ухудшить отношение сигнал/шум и разрешение системы.
разрешите влезть в тему, есть вопрос о подавлении вч-помех, а делать отдельную не вижу смысла, т.к. тут дискуссия подходит.
— кондёры на корпус (Y), 2 ferrite beads (давить дифф. состовляющую), синфазный дроссель, кондёр между проводами (Х)
— синфазный дроссель, ферриты, кондёры Y, кондёр Х
— ферриты, дроссель, Y, X (возможно ещё L или R около 22-47 Ом перед X во всех вариантах?)
-какой-то другой
все варианты видел, каким будет правильный порядок расположения?
естественно номиналы буду моделировать, чтоб не наловить высокодобротных разонансов. У Wurth есть хорошие модели с паразит-составляющими.
Интересует именно порядок
или будет лучше так? он хуже давит синфазку, зато лучше дифф. Ферриты можно будет не ставить?
http://www.mouser.com/ds/2/445/744272102-77715.pdf
Фильтрация шума с помощью многослойных чип-бусин WE-MPSB
Источники питания часто проектируются для работы в установившемся режиме, а их функционирование при переходных процессах учитывается позже. На практике условия работы при переходном процессе, возникающие, например, при включении или выключении устройства, а также при изменении нагрузки, оказывают намного большее воздействие на компоненты источника питания, чем в установившемся режиме. Для подавления высокочастотного шума на входе и выходе источников питания устанавливаются ферритовые бусины. Конструктивно они выполнены либо для монтажа на кабель, либо для монтажа на плату. В последнем случае мы будем называть их чип-бусинами.
Можно привести наглядные примеры игнорирования переходных процессов, которые, однако, требуют самого тщательного учета. При включении источника питания или ШИМ модуля для управления светодиодными драйверами возникает бросок тока. Необходимо, чтобы ферритовые чипбусины, которые устанавливаются на входе и выходе источника питания для предотвращения выбросов тока при переходном процессе, имели небольшой размер, невысокую стоимость и высокую надежность. Эти ферриты очень хорошо фильтруют высокочастотный шум в импульсных стабилизаторах, источниками которого являются паразитные индуктивности и емкости при переходных процессах. Данный шум в диапазоне 50–500 МГ ц называется звоном, бросками питания или периодическим случайным шумом (PARD noise). На рисунке 1 иллюстрируется возникновение шума при коммутации, а также его появление на входе и выходе коммутационного узла.
Измеренная частота периодического случайного шума, показанного на рисунке 1, составляет 170 МГц. Если кондуктивный шум в виде сигналов, приведенных на этом рисунке, проникает в провода питающей сети или в провода, связывающие источник питания с нагрузкой, возникают излучаемые электромагнитные помехи (ЭМП ).
Как правило, ферритовые бусины следует устанавливать как можно ближе к преобразователю, являющемуся источником шума. Один из эффективных способов предотвратить проникновение периодического случайного шума на выводы импульсного источника питания заключается в установке ферритовых бусин последовательно его входам и выходам. Кроме того, бусины должны располагаться как можно ближе к краю печатной платы или к положительным и отрицательным выводам источника питания, подключенным к разъемам.
Как правило, ферриты устанавливаются как можно ближе к источнику шума, т. к. данный шум наводится на проводники и кабели, не защищенные фильтрами. Однако при этом имеется большая вероятность того, что высокочастотный шум в обход ферритового компонента пройдет по паразитной емкости на земляные слои и заземление.
Рис. 1. Периодический случайный шум, который возникает в коммутационном узле понижающего преобразователя (сигнал синего цвета), попадает в сигнал входного напряжения (желтый цвет) и выходного напряжения (зеленый цвет)
Поскольку большинство стандартов на электромагнитную совместимость начинает ограничивать излучаемые электромагнитные помехи на частоте 30 МГц, настоятельно требуется предотвратить нежелательное излучение на входных и выходных выводах. При наличии земляного слоя или экранированного корпуса шум попадает во внутреннюю часть печатной платы в обход ферритовых бусин, как показано рисунке 2.
Рис. 2. Периодический и случайный шум (PARD) в обход ферритовых чип-бусин L1–L4 проникает через емкостной элемент в слой земли на плате и поступает во входной и выходной разъемы
Компания Wurth Elektronik eiSos недавно разработала семейство ферритовых чип-бусин с высокими номинальными средними и среднеквадратичными токами, а также малым сопротивлением по постоянному току, которые были протестированы и были сертифицированы для использования в схемах с большим импульсным током. Многослойные бусины семейства WE-MPSB обеспечивают защиту от коротких импульсов тока, величина которых намного превышает среднее значение.
Пусковой ток при включении
Рис. 3. Схема понижающего преобразователя с указанными значениями сопротивлений источника питания и подводящего провода, а также индуктивностей и всех входных конденсаторов
В рассматриваемом случае оказалось, что сопротивление и индуктивность 30.см испытательного кабеля для разъемов типа «банан» (однополюсная вилка) составляет 8 мОм и 0,3 мкГн, соответственно. На практике все источники напряжения ограничены по току, но если велика выходная емкость шины 12 В (DC), величина зарядного тока при замыкании механического ключа может легко превысить 30 А (см. рис. 4).
Рис. 4. Входной пусковой ток величиной 33 А при использовании шины 12 В (DC) при почти мгновенном подключении входного керамического конденсатора на 20 мкФ и 180-мкФ полимерного алюминиевого конденсатора
Разработчику предстоит найти напрашивающееся компромиссное решение. С одной стороны, все компоненты входного фильтра должны обеспечить пропускание токов большой величины, которые возникают при каждом включении преобразователя. С другой стороны, если выбрать ферритовые бусины с таким запасом, чтобы они без искажения пропускали большие импульсные токи, то в установившемся режиме бусины не смогут сглаживать эти токи.
Выбросы тока при включении
Рис. 5. Выброс тока на шине 5 В (DC) при почти мгновенном подключении 8-А нагрузки и использовании на выходе 200-мкФ керамического конденсатора и полимерного алюминиевого конденсатора емкостью 660 мкФ
Использование многослойных бусин WE-MPSB
Рис. 6. Ферритовые чип-бусины, которые оплавились и сгорели в результате перегрева после протекания больших токов
В нашем примере по шесть бусин подключаются параллельно к положительному и отрицательному выводам источника питания. Помимо увеличения габаритов и стоимости это решение имеет и другие недостатки. Во.первых, если в стационарном режиме через каждую из параллельных бусин будет протекать примерно одинаковый ток, то при импульсных токах равномерное распределение тока по бусинам не гарантируется из-за разброса их параметров. Во.вторых, установка нескольких компонентов параллельно друг другу приводит к тому, что суммарный импеданс ухудшается и, следовательно, ухудшается фильтрующая способность бусин.
Правильный выбор бусин WE-MPSB
В тех случаях, когда пиковый ток превышает его среднее значение в диапазоне 3:1…10:1, предпочтительнее использовать бусины WE-MPSB. В первую очередь, следует выбирать бусины из тех, которые работают с током 3,7 А (СКЗ).
Входные бусины с защитой от пикового тока
Поскольку рассматриваемое приложение рассчитано на 10 тыс. циклов коммутации в течение срока службы, бусина WE-MPSB во входном фильтре должна выдержать 10 тыс. импульсов тока величиной 33 А. Н аиболее простым и удобным способом проектирования в данном случае является использование средства RED EXPERT, в которое вводятся эти данные (см. рис. 7). Для сравнения мы рассмотрим девять других компонентов из виртуального хранилища.
Рис. 7. В окно средства проектирования RED EXPERT вводятся значения таких параметров как длительность импульсов, их количество и максимальный ток
Проверка эффективного сопротивления
Из девяти имеющихся бусин WE-MPSB мы выберем одну с наибольшим сопротивлением (а не суммарным импедансом) на частоте шума. Как правило, у ферритовых чип-бусин максимальное сопротивление наблюдается на частоте, при которой их суммарный импеданс достигает наибольшей величины, но аппроксимация для других частот невозможна. Самый быстрый способ выбрать оптимальный компонент – воспользоваться средством REDEXPERT от компании Wurth Elektronik [1]. Зарегистрированные пользователи могут, установив ползунок диаграммы на значении 170 МГц (см. рис. 8), получить значения сопротивления каждой бусины из списка и даже сортировать их по убыванию этого параметра, чтобы установить, у какого компонента наибольшее сопротивление.
Рис. 8. С помощью средства проектирования REDEXPERT было установлено, что наилучшим выбором для рассматриваемого случая является ферритовая бусина WE-MPSB 742 792 245 51
Из всех рассмотренных компонентов наилучшим для данного приложения оказался WE-MPSB 742 792 245 51, выделенный красным цветом. Номинальный ток этой бусины составляет 4,0 А. О на выдерживает 18700 импульсов тока величиной 33 А и длительностью 8 мс. Поскольку указанная величина намного больше длительности начального импульса 500 мкс и короткого импульса 100 мкс, обеспечивается большой запас прочности. Из всех пригодных компонентов у этой бусины наибольшее сопротивление при 170 МГ ц.
Тестирование выбранных компонентов
Для тестирования мы установили упомянутую выше бусину WE-MPSB 742 792 245 51 на вход, а бусину WE-MPSB 742 792 251 01 – на выход. Из рисунка 9 видно, что шум в выходном напряжении (см. сигнал зеленого цвета) практически отсутствует. Проверка на излучаемые электромагнитные помехи показала, что выбранные чип-бусины эффективно подавляют периодический случайный шум. Уровень ЭМП в диапазоне 170 МГ ц значительно снизился.
Рис. 9. Результаты тестирования ферритовых чип-бусин: шум в выходном напряжении практически отсутствует
Влияние RDC на суммарный КПД
Поскольку сопротивление бусины WE-MPSB 742 792 245 51 по постоянному току равно 35 мОм, возникают дополнительные кондуктивные потери, что снижает КПД. И змерения с помощью лабораторного оборудования показали лишь небольшое уменьшение этого параметра с 95 до 94,5% для каждой ферритовой чип-бусины. Расчет КПД осуществляется с помощью следующей формулы: 
.
Влияние смещения по постоянному току на импеданс
Как и все магнитные компоненты, ферритовые чип-бусины обладают магнитными свойствами. При увеличении постоянного тока происходит эффект насыщения, в результате которого смещается кривая импеданса (см. рис. 10). Максимальное значение индуктивности остается почти неизменным; при этом ее начальная величина уменьшается почти на 40% по сравнению со значением в отсутствие тока подмагничивания, тогда как импеданс при меньших частотах снижается примерно на 90%. В области низких частот решающую роль играет индуктивность, которая насыщается с увеличением постоянного тока. На собственной частоте колебаний доминирует емкостная составляющая, на которую не влияет изменение постоянного тока.
Рис. 10. Кривая импеданса бусины WE-MPSB 742 79 2 245 51 при изменении постоянного тока смещения в диапазоне 0–4 А
Поскольку при полном нагрузочном токе это (наихудшее) изменение импеданса уже учтено в измерениях, не стоит обращать внимание на данный эффект. Заметим, что чем больше размер ферритовых чип-бусин, тем меньше смещается импеданс при увеличении постоянного тока.
Выбор и использование ферритовых бусин
Выбор и использование ферритовых бусин
Используйте ферритовые бусины, чтобы улучшить качество питания вашей печатной платы.
Предыдущие статьи в этой серии
Проверка спецификаций
В предыдущей статье обсуждалось значение тщательного рассмотрения характеристик импеданса и частоты при выборе ферритового бусинки: по возможности целевые шумовые частоты должны попадать в «резистивную зону» борта, что означает диапазон частот, в которых резистивный импеданс доминирует над реактивным сопротивление. Это фундаментальный аспект максимизации способности вашего шарика подавлять шум, но есть и другие характеристики, которые необходимо учитывать, а именно: сопротивление постоянному току и номинальный ток.
В отличие от байпасных конденсаторов, ферритовые шарики используются последовательно с линией электропередач, что означает, что любой ток постоянного тока, протекающий через борт, создаст падение напряжения, пропорциональное сопротивлению постоянному току.
( Примечание: для представления ферритовых гранул используются несколько различных символов схемы. Показанный здесь не является «официальным» символом IEEE, но помогает нам оставаться в курсе функционального сходства между бисером и индукторами.)
Номинальный ток не так прост, как кажется. Действительно, если ток установившегося состояния через борт выше номинального тока, может произойти повреждение. Но есть два нюанса, о которых вам нужно знать. Во-первых, номинальный ток не является постоянным по температуре:
Это кривая ослабления для части Wurth, обсуждавшейся в предыдущей статье. Крутой спад, начинающийся с 85 ° C, должен сделать это совершенно ясно, что вам нужно очень тщательно выбирать свои ферритовые бусины, если ваша система будет подвергаться воздействию высоких температур. Во-вторых, токи постоянного тока значительно ниже номинального максимума могут ухудшить производительность борта, потому что ферритовый материал становится «насыщенным». Ферритовое насыщение уменьшает пиковый импеданс шарика и смещает кривую импеданса в сторону более высоких частот, как показано на следующем рисунке от Murata:
Чтобы уменьшить эффект насыщения ядра, убедитесь, что номинальный ток вашего шарика составляет не менее 50% (предпочтительно 100%) выше, чем ожидаемый максимальный ток.
Резонанс: уменьшен, не ликвидирован
В предыдущей статье мы обсудили, как ферритовые бусины выгодны, потому что они рассеивают высокочастотную энергию и, следовательно, менее восприимчивы к резонансным проблемам. Однако ферритовые бусины преимущественно индуктивны в широком диапазоне частот, и их часто используют в сочетании с соседними конденсаторами, поэтому мы не можем просто забыть о резонансе. Напомним, что LC-схема будет резонировать на следующей частоте:
Это говорит о том, что резонансная частота уменьшается по мере увеличения емкости. Следовательно, большее количество емкости вблизи ферритового шарика увеличивает вероятность того, что борт будет преимущественно индуктивным на резонансной частоте.
Фильтр «FBC»
Теперь мы готовы обсудить три общих способа, с помощью которых ваши схемы могут извлечь выгоду из стратегически выбранного ферритового бусина. Первый путь уже представлен в двух приведенных выше схемах: ферритовый шарик может быть объединен с байпасным конденсатором, чтобы сформировать эквивалент стандартного LC низкочастотного фильтра. Этот фильтр «FBC» теоретически подходит к двухполюсному отклику LC-фильтра внутри индуктивной полосы частот борта, а затем переходит в однополюсный отклик RC-фильтра, когда резистивный импеданс начинает доминировать над реактивным сопротивлением. Для этого существует определенная элегантность: скачкообразное скачкообразное изменение на низких частотах, где резонанс менее опасен, а высокочастотный сигнал подавляется резистивными свойствами борта.
На этом этапе мы должны указать хороший способ саботировать вашу ИС, а именно, используя ферритовый шарик без конденсатора между силовым штырем и землей:
Как обсуждалось в первой статье этой серии, цифровые ИС (и, в меньшей степени, аналоговые ИС) должны иметь возможность набирать быстрые импульсы тока от силовой передачи. Низкий ESR, низкочастотный байпасный конденсатор, расположенный рядом с силовым штырем, обеспечивает этот ток. Теперь напомним, что индуктор (и, в свою очередь, ферритовый шарик) выступает против изменений тока. Это означает, что ферритовый шарик, используемый в двух вышеуказанных неправильных конфигурациях, блокирует переходный ток, необходимый IC. Следовательно, вам нужен конденсатор, расположенный «вниз по течению» ферритового бусина, так что переходный ток может поступать непосредственно из колпачка (т. Е. Без протечки через борт).
Фильтр нижних частот FBC потенциально полезен для любой ИС, которая особенно чувствительна к высокочастотному шуму на линии электропередачи. Но обратите внимание на что-то еще: ферритовый шарик также будет формировать фильтр FBC с любой емкостью на другой стороне шарика, включая байпасные конденсаторы, подключенные к другим микросхемам на одной и той же электрической шине. Таким образом, ферритовые бусины помогают подавлять не только шум, поступающий в ИС, но и шум, выходящий из ИС. Это означает, что ферритовые бусины особенно ценны для развязки в печатных платах с несколькими цифровыми компонентами, поскольку они имеют тенденцию изолировать каждую ИС от шума, создаваемого всеми другими ИС.
Мощность смешанного сигнала
Обычно предпочтительнее подавать аналоговое и цифровое питание в ИС смешанного сигнала, генерируя отдельные напряжения питания через два линейных регулятора. Но если этот подход невозможен, возможно, из-за ограничений на борту, вы можете использовать ферритовый шарик для обеспечения некоторой шумоизоляции, а именно:
Подавление шума у источника
В другой раз, чтобы рассмотреть ферритовые бусины, вы предпочитаете использовать один фильтр на источнике питания вместо отдельных фильтров, прикрепленных к нескольким микросхемам. Это эффективный подход для схемы, в которой шумный DC / DC-преобразователь обеспечивает питание для нескольких аналоговых компонентов, которые чувствительны к шуму, но обычно не создают больших шумов. Стандартной конфигурацией для такого фильтра является ферритовый шарик с конденсатором с обеих сторон; в идеале техническое описание преобразователя постоянного тока обеспечит руководство по значениям компонентов и другим деталям. Например, Linear Technology рекомендует следующее для LTC1551, который является инвертирующим регулятором зарядного насоса:
В техническом паспорте утверждается, что с помощью этого простого фильтра выходной шум может достигать 1 мВ от пика до пика.
Несмотря на то, что ферритовые бусины будут в основном индуктивными на относительно низких частотах, используемых зарядными насосами и переключающими регуляторами, резистивный импеданс поможет уменьшить шум, связанный с высокочастотными гармониками.
резюмировать
Ферритовые бусины обеспечивают дополнительную фильтрацию и изоляцию, которые могут быть полезны в шумных цифровых средах или когда необходимо защищать чувствительные к звуку аналоговые компоненты. По возможности выберите шарик, который в основном резистивный на доминирующих шумовых частотах, и не забудьте проверить сопротивление постоянного тока и номинальный ток борта, чтобы избежать проблем, связанных с падением напряжения и насыщением ядра.