Ferrytowy koralik odczarowany - fakty i mity

Jedną z bardzo dobrych metod filtrowania zakłóceń wysokiej częstotliwości i szumu z linii zasilania, szczególnie gdy jest ona dzielona pomiędzy wiele układów - cyfrowych i analogowych - są koraliki ferrytowe. Są to pasywne elementy, które pomagają odfiltrować część szumu o wysokiej częstotliwości, dla którego przedstawiają one spory opór i rozpraszają energię szumu w postaci ciepła. Podłącza się go szeregowo z urządzeniem w linii zasilającej wraz z kondensatorem filtrującym do masy (po dowolnej stronie koralika). Taki układ formuje filtr dolnoprzepustowy, co dodatkowo pomaga odfiltrować zakłócenia z linii zasilającej dany układ.

Oczywiście, jak w każdym przypadku, niepoprawne dobranie koralików ferrytowych może nie pomóc w filtrowaniu linii zasilających lub też może mieć negatywne skutki. Przykładem tego mogą być dodatkowe rezonanse, jakie zachodzą pomiędzy koralikiem a kondensatorem filtrującym lub też niepoprawne dobranie tego elementu do prądu, jaki ma przez niego płynąć, co przekłada się na zmniejszoną wydajność tłumienia zakłóceń. Aby poprawnie stosować ten element w swoich układach elektronicznych, trzeba koniecznie zrozumieć jego podstawowe parametry - dzięki temu możliwe będzie uniknięcie wpadek z doborem i stosowaniem tego elementu.

W poniższym artykule omawiamy istotne kwestie związane z projektowaniem układów filtrujących zasilanie, wykorzystujących koraliki ferrytowe. Skupimy się na analizie impedancji w funkcji częstotliwości tego elementu przy zmiennej polaryzacji DC oraz niepożądanych rezonansach LC, jakie mogą tworzyć się w układzie. Finalnie zapoznamy się z technikami stosowania koralików do tłumienia zakłóceń w liniach zasilania i porównamy podstawowe cechy kilku architektur filtrów zasilania.

Stosowanie koralików omówione będzie na przykładzie filtra wyjściowego z przetwornicy DC-DC o wydajności prądowej 2 A i dwóch niezależnych wyjściach napięciowych - dodatnim i ujemnym. Przetwornica ta oparta jest o układ ADP5071, a wykorzystywane koraliki ferrytowe są zazwyczaj elementami do montażu powierzchniowego (SMD).

Uproszczony model i symulacje koralika ferrytowego

Koralik ferrytowy można zamodelować, korzystając z schematu zastępczego składającego się z rezystora, indukcyjności i pojemności, jak pokazano to na rysunku 1a. Rezystor RDC odpowiada za rezystancję stałoprądową elementu, CPAR to pojemność pasożytnicza tego elementu, LBEAD to indukcyjność koralika, a RAC to opory związane z nasyceniem rdzenia podczas pracy z napięciem zmiennym.



Koraliki ferrytowe charakteryzowane są w trzech zakresach - indukcyjnym, rezystancyjnym i pojemnościowym. Łatwo wyróżnić je patrząc na wykres impedancji koralika pokazany na rysunku 1b. Na wykresie zaprezentowano impedancję (Z), rezystancję (R) i reaktancję (X) koralika w funkcji częstotliwości. Największą wydajność filtrowania szumu osiąga się dla zakłóceń znajdujących się w zakresie rezystancyjnym koralika, szczególnie gdy chcemy filtrować zakłócenia elektromagnetyczne. Element ten zachowuje się w tym zakresie jak rezystor, blokujący sygnałom w pewnym zakresie częstotliwości przepływ. Zakres rezystancyjny określa się jako zakres częstotliwości od miejsca gdy X = R do miejsca, gdy -X = R. Poniżej częstotliwości z tego zakresu koralik znajduje się w zakresie indukcyjnym, a powyżej w pojemnościowym.

W szeregu przypadków, uproszczony model koralika ferrytowego można stosować do setek MHz.

Jako przykład do omówienia w artykule wybrany został wielowarstwowy koralik BMB2A1000LN2 firmy Tyco Electronics. Na rysunku 1b zaprezentowano wykres impedancji tego elementu przy zerowej polaryzacji stałym prądem.

Dla zakresu indukcyjnego, gdzie impedancja jest w przybliżeniu równa $$X_L$$ indukcyjność koralika wyznaczyć można korzystając z następującego wzoru:



gdzie f to częstotliwość w zakresie indukcyjnym - w naszym przypadku f = 30,7 MHz, a XL to reaktancja przy tej częstotliwości, równa 233 ?. Z równania wynika, że indukcyjność tego koralika wynosi 1,208 ?H.

Dla zakresu pojemnościowego, gdzie impedancja równa jest w przybliżeniu $$|X_C|$$, wyznaczamy pojemność pasożytniczą, korzystając z równania:



gdzie f to częstotliwość w zakresie pojemnościowym - w naszym przypadku f = 803 MHz, a |XC| to reaktancja przy tej częstotliwości, równa 118,1 ?. Z równania wynika, że pojemność tego koralika wynosi 1,678 pF.

Rezystancja stałoprądowa koralika wynosi 300 m? i możemy odnaleźć ją w karcie katalogowej elementu. Rezystancja zmiennoprądowa jest to maksymalna impedancja w punkcie, w którym zachowanie koralika jest czysto rezystancyjne. Aby wyznaczyć tą wartość, musimy od impedancji Z odjąć wartość rezystancji stałoprądowej RDC, co daje nam wyniki 1,082 k?.

Mając wartości poszczególnych elementów w schemacie zastępczym, możemy zamodelować zachowanie koralika. Do tego celu wykorzystać można na przykład narzędzie ADIsimPE do symulacji układów, wykorzystujące SIMetrix/SIMPLIS. Pozwala to na wygenerowanie wykresu impedancji w funkcji częstotliwości. Na rysunku 2a zaprezentowano model wykorzystany do symulacji, a na rysunku 2b pokazana jest wyznaczona krzywa teoretyczna oraz zmierzona impedancja w funkcji częstotliwości. Zgodność pomiaru z obliczeniami jest bardzo dobra.



Model koralika ferrytowego może być bardzo przydatny podczas projektowania i analizowania układów takimi elementami. Na przykład, przybliżając koralik jako indukcyjność łatwo jest określić rezonansową częstotliwość odcięcia koralika, gdy znajduje się on w układzie z kondensatorem filtrującym, formując filtr dolnoprzepustowy. Jednakże zaprezentowany model funkcjonuje poprawnie tylko z zerową polaryzacją DC. Jeśli chcemy wykorzystać go do elementu spolaryzowanego stałoprądowo, musimy skorzystać z bardziej skomplikowanego modelu.

Wpływ polaryzacji stałoprądowej

Wybór odpowiedniego koralika ferrytowego do danej aplikacji wymaga nie tylko analizy pasma filtrowania układu, ale także wpływu, jaką na charakterystykę impedancji w funkcji częstotliwości ma polaryzacja stałoprądowa koralika. W większości przypadków producenci podają jedynie specyfikację impedancji koralika dla 100 MHz oraz prezentują widma impedancji przy zerowej polaryzacji DC. Jednakże, gdy wykorzystujemy koralik do filtrowania zasilania, przepływa przez niego prąd, który zasila urządzenie, a wraz z jego zwiększaniem zmieniają się istotnie parametry koralika.

Wraz ze zwiększaniem się przepływającego prądu stałego, materiał rdzenia koralika zaczyna się nasycać, przez co zmniejsza się indukcyjność koralika. To, jak bardzo przy danym prądzie rdzeń będzie się nasycał, zależne jest od tego, z jakiego materiału go wykonano. Rysunek 3a pokazuje typowe zachowanie dwóch przykładowych koralików dla polaryzacji różnym prądem. Dla polaryzacji prądem o wartości 50% maksymalnego indukcyjność elementu zmniejsza się nawet o 90%.



Aby zapewnić sobie wydajne filtrowanie szumu zasilania, rekomenduje się zastosowanie koralika przy prądzie około 20% maksymalnego. Jak pokazano na wykresach, przy 20% prądu maksymalnego indukcyjność spada do około 30% dla koralika 6 A i 15% dla koralika 3 A. Prąd maksymalny dla danego koralika oznacza, jaki maksymalny prąd może przepłynąć przez element z zadanym wzrostem temperatury - nie jest to parametr oznaczający, przy jakim prądzie koralik powinien pracować w sposób ciągły.

Dodatkowo, wpływ polaryzacji DC objawia się jako zmniejszenie wartości impedancji dla wszystkich częstotliwości, co przekłada się wprost na zmniejszenie efektywności koralika w tłumieniu zakłóceń EMI. Na rysunkach 3b i 3c pokazano, jak zmienia się impedancja koralika ferrytowego dla różnych polaryzacji DC. Po przyłożeniu już 50% prądu maksymalnego, efektywna impedancja przy 100 MHz spada z 100 ? do 10 ? dla koralika TDK MPZ1608S101A (100 ?, 3 A, 0603) i z 70 ? do 15 ? dla koralika Würth Elektronik 742 792 510 (70 ?, 6 A, 1812).

Podsumowując tą część, trzeba powtórzyć, że projektując system zasilania i dobierając koralik do konkretnej aplikacji koniecznie trzeba wybrać go z uwzględnieniem prądu, jaki ma przez niego płynąć. Aby uzyskać optymalną efektywność tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych w linii zasilającej, najlepiej, aby prąd nie przekraczał 20% wartości maksymalnej dla danego elementu.

Efekty rezonansu LC

Rezonans następować może w momencie, gdy w układzie implementuje się jednocześnie koralik ferrytowy i kondensator filtrujący zasilanie. Jest to często pomijany lub zaniedbywany efekt, jednakże może on wzmacniać - zamiast tłumić - zakłócenia w linii zasilającej w pewnym zakresie częstotliwości. Zdarza się, że zakres ten pokrywa się z zakresem pracy przetwornicy DC-DC w systemie, co jak łatwo się domyślić jest gotową receptą na bardzo złej jakości zasilanie układu, znajdującego się za koralikiem i kondensatorem.

Niepożądane zjawiska następują, gdy częstotliwość rezonansowa filtra dolnoprzepustowego złożonego z indukcyjności koralika ferrytowego i pojemności kondensatora filtrującego o wysokiej dobroci znajduje się poniżej częstotliwości pracy koralika. W tej sytuacji filtr nie tłumi zakłóceń dostatecznie mocno, jak pokazano na rysunku 4 na wykresie impedancji w funkcji częstotliwości dla koralika TDK MPZ1608S101A. Rezystancja, od której zależy rozpraszanie sygnałów, nie posiada znacznej wartości aż do częstotliwości 20..30 MHz, poniżej tej częstotliwości koralik ma wysoką dobroć i zachowuje się jak idealna indukcyjność. Częstotliwość rezonansowa LC dla typowego koralika wynosi od 100 kHz do 10 MHz, a typowe częstotliwości przełączania przetwornicy wynoszą od 300 kHz do 5 MHz. W sytuacji, gdy obie te częstotliwości pokrywają się w projektowanym układzie, konieczne jest dodatkowe tłumienie zakłóceń, aby zredukować dobroć filtra.



Na rysunku 4b zaprezentowano przykład sytuacji opisanej powyżej, która manifestuje się w postaci maksimum wzmocnienia w okolicy częstotliwości granicznej. Wykorzystano koralik ferrytowy TDK MPZ1608S101A (100 ?, 3 A, 0603) i kondensator ceramiczny Murata GRM188R71H103KA01 (10 nF, X7R, 0603). Układ podczas pomiaru obciążony był kilkoma mikroamperami.

Nietłumiony filtr zestawiony z koralika i kondensatora ma maksima o amplitudzie około 10 dB do 15 dB, zależnie od dobroci filtra. Na rysunku 4b zaprezentowano wykres, na którym widać, że przy częstotliwości równej około 2,5 MHz wzmocnienie filtra zwiększa się do około 10 dB.

W szerszym zakresie spektralnym, od 1 MHz do 3,5 MHz, widać także, jak układa się przebieg wzmocnienia filtra. Zjawisko opisane powyżej jest szczególnie szkodliwe, jeśli układ ma filtrować napięcie z przetwornicy impulsowej pracującej w tym zakresie częstotliwości lub dla układów czułych na zakłócenia o konkretnej częstotliwości - pętli sprzężonych fazowo (PLL), oscylatorów kontrolowanych napięciowo (VCO) lub precyzyjnych przetworników analogowo-cyfrowych o dużej rozdzielczości (ADC). Wyniki pomiarów zaprezentowane na rysunku 4b zostały uzyskane dla niewielkiego obciążenia kilku mikroamperów, ale w realistycznym przypadku pobór prądu będzie na poziomie kilku miliamperów lub więcej, co oznacza zwiększenie istotności opisanego zjawiska oraz możliwość wystąpienia np. przesłuchu pomiędzy urządzeniami pracującymi na jednej linii zasilania.

Rysunek 5 pokazuje przykładową aplikację - układ ADP5071 - z koralikiem ferrytowym na wyjściu. Na rysunku 6 zaprezentowano widmo napięcia z dodatniego wyjścia. Częstotliwość przełączania ustalono na 2,4 MHz, a napięcie wejściowe wynosi 9 V. Napięcie wyjściowe wynosi 16 V, a prąd wyjściowy 5 mA.



Rezonans w układzie filtrującym następuje przy częstotliwości około 2,5 MHz, z uwagi na indukcyjność koralika i pojemność kondensatora ceramicznego w filtrze - 10 nF. Zamiast tłumienia zakłóceń z przetwornicy przy częstotliwości 2,4 MHz, obserwuje się wzmocnienie na poziomie 10 dB.

Innymi czynnikami, mającymi wpływ na powstawanie rezonansów są impedancje - szeregowa i obciążenia, jakie widziane są przez koralik. Opisany powyżej efekt jest silnie stłumiony, jeśli impedancja źródła zasilania jest wysoka, jednakże w ten sposób spada precyzja stabilizacji napięcia, co efektywnie jest mało praktyczną metodą. Z kolei przy małej impedancji obciążenia efekt jest istotnie stłumiony.

Metody tłumienia rezonansów

W tej części znajduje się praktyczny opis, jak tłumić można rezonanse w układach filtrujących z koralikiem ferrytowym. Patrz rysunek 7. Poniżej opisano trzy metody - A, B i C.



Metoda A opiera się o dodanie do układu szeregowego rezystora, który tłumić będzie rezonans, ale także - niestety - ograniczać tłumienie bocznikując filtr dla wysokich częstotliwości.

Metoda B polega na dodaniu niewielkiego rezystora równolegle z koralikiem ferrytowym. W takiej sytuacji tłumienie filtra dla wysokich częstotliwości ulega pogorszeniu, jak pokazano to na rysunku 8. Zaprezentowano na nim wykres impedancji filtra w funkcji częstotliwości dla koralika MPZ1608S101A z i bez opornika 10 ?.



Metoda C opiera się na dodaniu dużej pojemności tłumiącej (CDAMP) z szeregowym rezystorem (RDAMP) - najczęściej jest to właśnie rozwiązanie optymalne. Dodanie opornika z kondensatorem nie powoduje pogorszenia własności tłumienia zakłóceń w systemie, a jednocześnie tłumi rezonans filtra. Kondensator CDAMP powoduje, że na rezystorze tłumiącym RDAMP nie wydziela się nadmierna ilość ciepła, jako że nie płynie przez niego prąd stały, odcięty pojemnością CDAMP. Pojemność kondensatora CDAMP musi być istotnie większa niż suma wszystkich kondensatorów filtrujących. Dzięki temu wartość rezystancji opornika RDAMP może być niewielka.

Na rysunku 9 zaprezentowano widmo wyjścia z przetwornicy ADP5071 z zaimplementowanym układem tłumiącym typu C, co daje istotną poprawę względem widma pokazanego na rysunku 5. W układzie tym wykorzystano ceramiczny kondensator CDAMP o pojemności 1 ?F i opornik RDAMP o rezystancji 2 ?. Dzięki zastosowaniu tego układu zakłócenie o częstotliwości równej 2,4 MHz (częstotliwość przełączania przetwornicy) tłumione jest o 5 dB, a nie wzmacniane o 10 dB, jak w przypadku pierwotnym.



Zasadniczo metoda C jest najlepsza i powinno się ją implementować możliwie często. Dzięki zastosowaniu osobnych elementów dyskretnych, zamiast drogiego dedykowanego kondensatora tłumiącego, co wpływa pozytywnie także na koszt takiego rozwiązania. Dzięki zastosowaniu dyskretnych elementów możliwe jest także dostosowanie wartości elementów CDAMP i RDAMP do potrzeb układu na etapie prototypowania systemu.

Podsumowanie

W powyższym materiale opisano kluczowe aspekty stosowania koralika ferrytowego wraz ze stojącymi za tym zjawiskami, a także przedstawiono model - schemat zastępczy - koralika wraz z informacjami jak scharakteryzować ten element. Pokazany model wykazuje dużą zgodność z wynikami doświadczalnymi.

W artykule opisano różne detale związane z stosowaniem koralików ferrytowych, np. wpływ prądu polaryzacji na jego działanie i powstawanie rezonansów w widmie z uwagi na rezonans LC w układzie filtrującym. Przedstawione powyżej metody pozwalają w odpowiedni sposób zmniejszyć wpływ tych zjawisk na działanie filtra.

Jako że koralik ferrytowy jest indukcyjnością, nie należy go używać z kondensatorami o dużej dobroci, bez szczególnej analizy sytuacji. Taka sytuacja może powodować generowanie pików rezonansowych, co przekłada się na istotne pogorszenie zdolności filtracji zakłóceń w układzie, szczególnie, gdy częstotliwości rezonansowe pokrywają się np. z częstotliwością przełączania przetwornicy DC-DC lub częstotliwością próbkowania przetwornika ADC.

Źródło: http://www.analog.com/library/analogdialogue/archives/50-02/ferrite-beads.HTML