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일반적인 상황: 설계 엔지니어가 EMC 문제가 발생하는 회로에 페라이트 비드를 삽입했지만 비드가 실제로 원치 않는 소음을 악화시킨다는 사실을 발견했습니다. 어떻게 이런 일이 있을 수 있습니까?페라이트 비드는 문제를 악화시키지 않으면서 소음 에너지를 제거해야 하지 않습니까?
이 질문에 대한 대답은 상당히 간단하지만 EMI 문제를 해결하는 데 대부분의 시간을 보내는 사람들을 제외하고는 널리 이해되지 않을 수 있습니다. 간단히 말해서 페라이트 비드는 페라이트 비드, 페라이트 비드 등이 아닙니다. 대부분의 페라이트 비드 제조업체는 부품 번호, 특정 주파수(보통 100MHz)에서의 임피던스, DC 저항(DCR), 최대 정격 전류 및 일부 치수 정보(표 1 참조)가 나열된 표입니다. 모든 것이 거의 표준입니다. 데이터에 표시되지 않은 내용 시트는 재료 정보와 해당 주파수 성능 특성입니다.
페라이트 비드는 열의 형태로 회로에서 잡음 에너지를 제거할 수 있는 수동 장치입니다. 자기 비드는 넓은 주파수 범위에서 임피던스를 생성하여 이 주파수 범위에서 원치 않는 잡음 에너지의 전부 또는 일부를 제거합니다. DC 전압 애플리케이션의 경우( IC의 Vcc 라인과 같은) 필요한 신호 및/또는 전압 또는 전류 소스에서 큰 전력 손실(I2 x DCR 손실)을 피하기 위해 낮은 DC 저항 값을 갖는 것이 바람직합니다. 그러나 다음을 갖는 것이 바람직합니다. 특정 정의된 주파수 범위에서 높은 임피던스. 따라서 임피던스는 사용된 재료(투자율), 페라이트 비드의 크기, 권선 수 및 권선 구조와 관련이 있습니다. 분명히 주어진 하우징 크기 및 사용된 특정 재료에서 , 권선이 많을수록 임피던스는 높아지지만 내부 코일의 물리적 길이가 길어지면 DC 저항도 높아집니다. 이 구성 요소의 정격 전류는 DC 저항에 반비례합니다.
EMI 응용 분야에서 페라이트 비드를 사용하는 기본 측면 중 하나는 구성 요소가 저항 단계에 있어야 한다는 것입니다. 이는 무엇을 의미합니까?간단히 말하면 "R"(AC 저항)이 "XL"(유도성 저항)보다 커야 함을 의미합니다. 리액턴스). XL > R(낮은 주파수)인 주파수에서 부품은 저항기라기보다는 인덕터와 더 비슷합니다. R> XL의 주파수에서 부품은 페라이트 비드의 필수 특성인 저항기로 동작합니다. "R"이 "XL"보다 커지는 주파수를 "크로스오버" 주파수라고 합니다. 이는 그림 1에 표시되어 있으며, 이 예에서는 크로스오버 주파수가 30MHz이고 빨간색 화살표로 표시되어 있습니다.
이를 살펴보는 또 다른 방법은 인덕턴스 및 저항 단계에서 구성 요소가 실제로 수행하는 성능을 살펴보는 것입니다. 인덕터의 임피던스가 일치하지 않는 다른 애플리케이션과 마찬가지로 수신 신호의 일부가 소스로 다시 반사됩니다. 페라이트 비드 반대쪽에 있는 민감한 장비에 대해 어느 정도 보호 기능을 제공하지만 회로에 "L"이 유입되어 공진 및 발진(링잉)이 발생할 수 있습니다. 따라서 자기 비드가 본질적으로 여전히 유도성일 때 일부 인덕턴스 및 임피던스 값에 따라 노이즈 에너지 중 일부는 반사되고 노이즈 에너지의 일부는 통과됩니다.
페라이트 비드가 저항 상태에 있을 때 부품은 저항처럼 동작하므로 잡음 에너지를 차단하고 회로에서 해당 에너지를 흡수하여 열의 형태로 흡수합니다. 일부 인덕터와 동일한 방식으로 구성되지만, 동일한 프로세스, 생산 라인 및 기술, 기계 및 일부 구성 요소 재료에서 페라이트 비드는 손실이 있는 페라이트 재료를 사용하고 인덕터는 저손실 철 산소 재료를 사용합니다. 이는 그림 2의 곡선에 표시됩니다.
그림은 손실 페라이트 비드 재료의 거동을 반영하는 [μ'']를 보여줍니다.
임피던스가 100MHz에서 제공된다는 사실도 선택 문제의 일부입니다. EMI의 많은 경우 이 주파수에서의 임피던스는 관련이 없으며 오해의 소지가 있습니다. 이 "점"의 값은 임피던스가 증가하는지, 감소하는지를 나타내지 않습니다. , 평탄해지고 임피던스는 이 주파수에서 피크 값에 도달하며 재료가 여전히 인덕턴스 단계에 있는지 또는 저항 단계로 변환되었는지 여부를 알 수 있습니다. 실제로 많은 페라이트 비드 공급업체는 동일한 페라이트 비드에 대해 여러 재료를 사용합니다. 적어도 데이터 시트에 표시된 대로입니다. 그림 3을 참조하십시오. 이 그림의 5개 곡선은 모두 서로 다른 120ohm 페라이트 비드에 대한 것입니다.
그러면 사용자가 얻어야 하는 것은 페라이트 비드의 주파수 특성을 나타내는 임피던스 곡선이다. 대표적인 임피던스 곡선의 예가 그림 4에 나와 있다.
그림 4는 아주 중요한 사실을 보여줍니다. 이 부분은 100MHz 주파수의 50옴 페라이트 비드로 지정되어 있는데 크로스오버 주파수는 약 500MHz로 1~2.5GHz 사이에서 300옴 이상을 달성합니다. 데이터 시트를 보면 사용자가 이를 알 수 없으며 오해의 소지가 있을 수 있습니다.
그림에 표시된 것처럼 재료의 특성은 다양합니다. 페라이트 비드를 만드는 데 사용되는 페라이트에는 다양한 변형이 있습니다. 일부 재료는 고손실, 광대역, 고주파수, 낮은 삽입 손실 등입니다. 그림 5는 일반적인 그룹화를 보여줍니다. 적용 주파수 및 임피던스.
또 다른 일반적인 문제는 회로 기판 설계자가 때때로 승인된 구성 요소 데이터베이스에서 페라이트 비드를 선택하도록 제한된다는 것입니다. 회사에 다른 제품에 사용하도록 승인되고 만족스러운 것으로 간주되는 페라이트 비드가 몇 개 밖에 없는 경우, 많은 경우 다른 재료나 부품 번호를 평가하고 승인할 필요는 없습니다. 최근에는 위에서 설명한 원래 EMI 잡음 문제가 일부 악화되는 효과가 반복적으로 발생했습니다. 이전에 효과적이었던 방법이 다음 프로젝트에 적용될 수도 있고, 효과적이지 않을 수 있습니다. 특히 필요한 신호의 주파수가 변경되거나 클럭 장비와 같은 잠재적인 방사 구성 요소의 주파수가 변경되는 경우 이전 프로젝트의 EMI 솔루션을 단순히 따를 수 없습니다.
그림 6의 두 임피던스 곡선을 보면 유사한 지정된 두 부품의 물질적 효과를 비교할 수 있습니다.
이 두 부품의 경우 100MHz에서의 임피던스는 120Ω입니다. 왼쪽 부분은 “B” 소재를 사용하여 최대 임피던스는 약 150Ω이며, 400MHz에서 구현됩니다. 오른쪽 부분은 , "D" 재료를 사용하면 최대 임피던스는 700옴이며 이는 약 700MHz에서 달성됩니다. 그러나 가장 큰 차이점은 크로스오버 주파수입니다. 초고손실 "B" 재료는 6MHz(R> XL)에서 전환됩니다. , 초고주파 "D" 재료는 약 400MHz에서 유도성을 유지합니다. 어떤 부품을 사용해야 합니까?각 개별 애플리케이션에 따라 다릅니다.
그림 7은 EMI를 억제하기 위해 잘못된 페라이트 비드를 선택할 때 발생하는 일반적인 문제를 모두 보여줍니다. 필터링되지 않은 신호는 3.5V, 1uS 펄스에서 474.5mV 언더슈트를 보여줍니다.
고손실 유형의 재료(중앙 플롯)를 사용한 결과, 부품의 높은 교차 주파수로 인해 측정의 언더슈트가 증가했습니다. 신호 언더슈트는 474.5mV에서 749.8mV로 증가했습니다. 초고손실 재료는 크로스오버 주파수가 낮고 성능이 좋습니다. 이 응용 분야에 사용하기에 적합한 재료가 됩니다(오른쪽 그림). 이 부품을 사용하면 언더슈트가 156.3mV로 줄어듭니다.
비드를 통과하는 직류 전류가 증가함에 따라 코어 재료가 포화되기 시작합니다. 인덕터의 경우 이를 포화 전류라고 하며 인덕턴스 값의 백분율 감소로 지정됩니다. 페라이트 비드의 경우 부품이 저항 단계에 있을 때 포화 효과는 주파수에 따른 임피던스 값 감소에 반영됩니다. 이러한 임피던스 감소는 페라이트 비드의 효율성과 EMI(AC) 잡음 제거 능력을 감소시킵니다. 그림 8은 페라이트 비드에 대한 일반적인 DC 바이어스 곡선 세트를 보여줍니다.
이 그림에서 페라이트 비드는 100MHz에서 100Ω 정격입니다. 이는 부품에 DC 전류가 없을 때 측정되는 일반적인 임피던스입니다. 그러나 일단 DC 전류가 인가되면(예: IC VCC의 경우) 입력), 유효 임피던스는 급격히 떨어집니다. 위 곡선에서 1.0A 전류의 경우 유효 임피던스는 100Ω에서 20Ω으로 변경됩니다. 100MHz. 그다지 중요하지는 않지만 설계 엔지니어가 주의해야 할 사항입니다. 마찬가지로 전기 특성 데이터만 사용하여 공급자의 데이터 시트에 있는 구성 요소의 경우 사용자는 이러한 DC 바이어스 현상을 인식하지 못할 것입니다.
고주파 RF 인덕터와 마찬가지로 페라이트 비드 내부 코일의 권선 방향은 비드의 주파수 특성에 큰 영향을 미칩니다. 권선 방향은 임피던스와 주파수 레벨의 관계에 영향을 미칠 뿐만 아니라 주파수 응답도 변경합니다. 그림 9에는 하우징 크기와 재질이 동일하지만 권선 구성이 서로 다른 두 개의 1000옴 페라이트 비드가 나와 있습니다.
왼쪽 부분의 코일은 수직면에 감겨져 수평 방향으로 적층되어 있는데, 이는 수평면에 감겨져 수직 방향으로 쌓인 오른쪽 부분에 비해 더 높은 임피던스와 더 높은 주파수 응답을 생성합니다. 이는 부분적으로 말단 단자와 내부 코일 사이의 감소된 기생 용량과 관련된 더 낮은 용량성 리액턴스(XC)에 적용됩니다. XC가 낮을수록 더 높은 자기 공명 주파수가 생성되고 페라이트 비드의 임피던스는 다음과 같은 수준이 될 때까지 계속 증가합니다. 이는 페라이트 비드의 표준 구조 임피던스 값보다 높은 더 높은 자기 공명 주파수에 도달합니다. 위의 두 1000ohm 페라이트 비드 곡선은 그림 10에 나와 있습니다.
올바른 페라이트 비드 선택과 잘못된 페라이트 비드 선택의 효과를 더 자세히 보여주기 위해 간단한 테스트 회로와 테스트 보드를 사용하여 위에서 설명한 내용의 대부분을 시연했습니다. 그림 11에서 테스트 보드는 3개의 페라이트 비드 위치와 표시된 테스트 포인트를 보여줍니다. "A", "B" 및 "C"는 송신기 출력(TX) 장치에서 멀리 떨어져 있습니다.
신호 무결성은 세 위치 각각의 페라이트 비드 출력 측에서 측정되며, 서로 다른 재료로 만들어진 두 개의 페라이트 비드를 사용하여 반복됩니다. 첫 번째 재료인 저주파 손실 "S" 재료는 여러 지점에서 테스트되었습니다. "A", "B" 및 "C". 다음으로 고주파수 "D" 재료가 사용되었습니다. 이 두 개의 페라이트 비드를 사용한 지점 간 결과가 그림 12에 나와 있습니다.
필터링되지 않은 "통과" 신호는 중간 행에 표시되며 각각 상승 에지와 하강 에지에서 약간의 오버슈트와 언더슈트를 보여줍니다. 위의 테스트 조건에 대해 올바른 재료를 사용하면 더 낮은 주파수 손실 재료가 양호한 오버슈트를 나타냄을 알 수 있습니다. 상승 및 하강 에지에서 언더슈트 신호 개선이 이루어졌습니다. 이 결과는 그림 12의 상단에 나와 있습니다. 고주파 재료를 사용한 결과 링잉이 발생할 수 있으며, 이로 인해 각 레벨이 증폭되고 불안정 기간이 늘어납니다. 이 테스트 결과는 다음과 같습니다. 맨 아래 줄에 표시됩니다.
그림 13에 표시된 수평 스캔에서 권장 상단 부분(그림 12)의 주파수에 따른 EMI 개선을 살펴보면 모든 주파수에 대해 이 부분이 EMI 스파이크를 크게 줄이고 30에서 전체 잡음 수준을 감소시키는 것을 알 수 있습니다. 대략 350MHz 범위에서 허용 가능한 수준은 빨간색 선으로 강조 표시된 EMI 제한보다 훨씬 낮습니다. 이는 Class B 장비(미국 FCC Part 15)에 대한 일반적인 규제 표준입니다. 페라이트 비드에 사용되는 "S" 재료는 이러한 낮은 주파수에 특별히 사용됩니다. 주파수가 350MHz를 초과하면 "S" 소재는 필터링되지 않은 원래 EMI 잡음 수준에 미치는 영향이 제한적이지만 750MHz에서 주요 스파이크를 약 6dB만큼 줄입니다. EMI 잡음 문제의 주요 부분이 350MHz보다 높으면 다음을 수행해야 합니다. 스펙트럼에서 최대 임피던스가 더 높은 고주파수 페라이트 재료의 사용을 고려하십시오.
물론 모든 링잉(그림 12의 하단 곡선 참조)은 일반적으로 실제 성능 테스트 및/또는 시뮬레이션 소프트웨어를 통해 피할 수 있지만, 이 기사를 통해 독자들이 흔히 발생하는 많은 실수를 우회하고 다음 작업을 수행할 필요성을 줄일 수 있기를 바랍니다. 올바른 페라이트 비드 시간을 선택하고 EMI 문제 해결을 위해 페라이트 비드가 필요할 때 보다 "교육된" 시작점을 제공하십시오.
마지막으로 더 많은 선택과 설계 유연성을 위해 단지 단일 부품 번호가 아닌 일련의 페라이트 비드를 승인하는 것이 가장 좋습니다. 공급업체마다 서로 다른 재료를 사용하며 각 공급업체의 주파수 성능을 검토해야 한다는 점에 유의해야 합니다. 특히 동일한 프로젝트에 대해 여러 번 구매하는 경우 처음에는 약간 쉽지만 일단 부품이 제어 번호로 구성 요소 데이터베이스에 입력되면 어디에서나 사용할 수 있습니다. 중요한 것은 서로 다른 공급업체의 부품 주파수 성능이 매우 유사하여 향후 다른 응용 프로그램의 가능성을 제거한다는 것입니다. 가장 좋은 방법은 서로 다른 공급업체로부터 유사한 데이터를 얻고 최소한 임피던스 곡선을 갖는 것입니다. 이는 또한 EMI 문제를 해결하는 데 올바른 페라이트 비드가 사용되도록 보장합니다.
Chris Burket은 1995년부터 TDK에서 근무했으며 현재는 수석 애플리케이션 엔지니어로 다수의 수동 부품을 지원하고 있습니다. 그는 제품 설계, 기술 영업 및 마케팅에 참여해 왔습니다. Burket은 많은 포럼에서 기술 문서를 작성하고 출판했습니다. Burket은 광학/기계 스위치 및 커패시터에 대한 3개의 미국 특허를 획득했습니다.
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