Toutes les perles de ferrite ne sont pas créées égales

Un scénario courant : un ingénieur concepteur insère une perle de ferrite dans un circuit rencontrant des problèmes de compatibilité électromagnétique, pour constater que la perle a en fait provoqué le pire bruit indésirable. Comment se peut-il? Les perles de ferrite ne sont-elles pas censées éliminer l'énergie sonore et ne pas aggraver le problème ?

La réponse à cette question est assez simple, mais peut ne pas être largement comprise en dehors de ceux qui travaillent la majorité de leur temps à résoudre les problèmes d'EMI. En termes simples, une perle de ferrite n'est pas une perle de ferrite n'est pas une perle de ferrite, etc. La plupart des fabricants de perles de ferrite fournissent un tableau qui répertorie leur numéro de pièce, l'impédance à une fréquence donnée (généralement 100 MHz), la résistance CC (DCR) , un courant nominal maximum et quelques informations dimensionnelles (voir Tableau 1). Tous les trucs à peu près standard. Ce qui n'est pas indiqué dans le tableau de données, ce sont les informations sur les matériaux et les caractéristiques de performance respectives sur la fréquence.

Tableau 1 : Tableau de données type sur les billes de ferrite

Une perle de ferrite est un dispositif passif qui élimine l'énergie sonore d'un circuit sous forme de chaleur. La perle crée une impédance sur une large plage de fréquences qui élimine tout ou partie de l'énergie de bruit indésirable sur cette plage de fréquences. Pour les applications de tension continue (telles que les lignes Vcc pour les circuits intégrés), il est souhaitable d'avoir une faible valeur de résistance continue afin de ne pas avoir de grandes pertes de puissance dans le signal et/ou la tension ou la source de courant souhaités (pertes I2 x DCR). Cependant, il est souhaitable d'avoir une impédance élevée sur une plage de fréquences définie. Par conséquent, l'impédance est liée au matériau utilisé (perméabilité), à la taille de la perle de ferrite, au nombre d'enroulements et à la construction de l'enroulement. Évidemment, plus il y a d'enroulements dans une taille de boîtier donnée et pour un matériau spécifique utilisé, plus l'impédance est élevée, mais cela donnera également une résistance CC plus élevée car la longueur physique de la bobine interne est plus longue. Le courant nominal de la pièce est inversement proportionnel à sa résistance DC.

L'un des aspects fondamentaux de l'utilisation de billes de ferrite pour les applications EMI est que le composant doit être dans sa phase résistive. Qu'est-ce que cela signifie? Cela signifie simplement que "R" (résistance CA) doit être supérieure à "XL" (réactance inductive). Aux fréquences où XL > R (fréquences inférieures), la pièce se comporte plus comme une inductance que comme une résistance. Aux fréquences où R > XL, la pièce se comporte comme une résistance qui est la propriété souhaitée de la perle de ferrite. La fréquence à laquelle "R" devient supérieur à "XL" est appelée fréquence de "cross-over". Ceci est illustré sur la figure 1 avec la fréquence de croisement marquée, 30 MHz dans cet exemple, par la flèche rouge.

Figure 1 : fréquence de croisement

Une autre façon de voir cela est en termes de ce que la pièce fait réellement pendant ses phases inductive et résistive. Comme d'autres applications où il y a une inadéquation d'impédance avec les inductances, une partie du signal introduit est réfléchie vers la source. Cela peut fournir une certaine protection pour les appareils sensibles de l'autre côté de la perle de ferrite, mais introduit également un "L" dans le circuit, ce qui peut provoquer des résonances et des oscillations (sonnerie). Ainsi, lorsque la perle est encore de nature inductive, une partie de l'énergie du bruit sera réfléchie et un certain pourcentage passera, en fonction des valeurs d'inductance et d'impédance.

Lorsque la perle de ferrite est dans sa phase résistive, le composant se comporte, comme indiqué, comme une résistance et empêche donc l'énergie de bruit et absorbe cette énergie du circuit et le fait sous forme de chaleur. Bien que construit de manière identique à certains inducteurs, utilisant les mêmes processus, lignes et techniques de fabrication, machines et certains des mêmes matériaux composants, la perle de ferrite utilise un matériau de ferrite avec perte tandis qu'un inducteur utilise un matériau de ferrite à faible perte. Ceci est illustré par les courbes de la figure 2.

Figure 2 : Réflexion vs Absorption

Cette figure montre [μ''] qui est utilisé pour refléter le comportement du matériau de la perle de ferrite avec perte.

Le fait que les impédances soient données à 100 MHz fait également partie du problème de sélection. Dans de nombreux cas d'EMI, l'impédance à cette fréquence n'est pas pertinente et trompeuse. Cette valeur "spot" n'indique pas si l'impédance est croissante à cette fréquence, décroissante, plate, culminante en impédance, si le matériau est encore dans son stade inductif ou s'est transformé en son stade résistif. En fait, de nombreux fournisseurs de billes de ferrite utilisent plusieurs matériaux pour les mêmes billes de ferrite perçues, ou du moins comme indiqué dans le tableau de données. Voir la figure 3. Les cinq courbes de cette figure correspondent à différentes billes de ferrite de 120 ohms.

Figure 3 : Perles de ferrite de 120 ohms (à 100 MHz)

Ce que l'utilisateur doit alors obtenir, c'est la courbe d'impédance qui montre les caractéristiques de fréquence de la perle de ferrite. Un exemple de courbe d'impédance typique est illustré à la figure 4.

Figure 4 : Courbe d'impédance typique avec /Z/, R, XL

La figure 4 montre un fait très important. La pièce est spécifiée comme une perle de ferrite de 50 Ohm, à 100 MHz, mais sa fréquence de croisement est d'environ 500 MHz, et elle atteint plus de 300 Ohms entre 1 et 2,5 GHz. Encore une fois, le simple fait de consulter le tableau de données ne permettrait pas à l'utilisateur de le savoir et pourrait être très trompeur.

Comme indiqué, les matériaux varient dans leurs performances. Il existe de nombreuses variantes de ferrite utilisées dans la construction de billes de ferrite. Certains matériaux sont à haute perte, à large fréquence, à haute fréquence, à faible perte d'insertion et autres. Un regroupement général par fréquence d'application et impédance est illustré à la Figure 5.

Figure 5 : Caractéristiques des matériaux basées sur la fréquence1

Un autre problème courant est que le concepteur de la carte est parfois limité dans le choix des billes de ferrite par ce qui se trouve dans sa base de données de composants approuvée. Si l'entreprise ne dispose que de quelques perles de ferrite approuvées qui ont été utilisées sur d'autres produits et ont été jugées satisfaisantes, dans de nombreux cas, il n'est pas nécessaire d'évaluer et d'approuver d'autres matériaux et références. Cela a plusieurs fois, dans un passé récent, conduit à certains des effets aggravants du problème de bruit EMI d'origine mentionné ci-dessus. Ce qui a fonctionné avant peut ou non fonctionner sur le prochain projet. On ne peut pas simplement reporter la solution EMI du dernier projet, surtout si la fréquence a changé pour le signal souhaité ou s'il y a des changements de fréquence dans des composants potentiellement rayonnants tels que des dispositifs d'horloge.

Si l'on regarde les deux courbes d'impédance de la figure 6, une comparaison peut être faite des effets matériels de deux pièces spécifiées similaires.

Figure 6 : Courbes d'impédance pour le matériau B (en haut) et le matériau D (en bas)

Pour les deux parties, l'impédance à 100 MHz est de 120 Ohms. Pour la partie de gauche, en utilisant le matériau "B", l'impédance maximale est d'environ 150 ohms et est atteinte à 400 MHz. Pour la partie de droite, en utilisant le matériau "D", l'impédance maximale est de 700 Ohms telle qu'elle est atteinte à environ 700 MHz. Mais la plus grande différence réside dans les fréquences de croisement. Le matériau "B" à très haute perte effectue une transition (R > XL) à 6 MHz tandis que le matériau "D" à très haute fréquence reste inductif jusqu'à environ 400 MHz. Quelle est la bonne pièce à utiliser ? Cela dépend de chaque application individuelle.

La figure 7 illustre un problème trop courant qui survient lorsque la mauvaise perle de ferrite est choisie pour supprimer les EMI. Le signal non filtré démontre un sous-dépassement de 474,5 mV sur une impulsion de 3,5 V, 1 uS.

Figure 7 : Performances mesurées des matériaux à pertes élevées et très élevées

Dans le résultat utilisant le matériau de type High Loss (tracé central), le sous-dépassement mesuré est augmenté en raison de la fréquence de croisement plus élevée de la pièce. Le sous-dépassement du signal est augmenté de 474,5 mV à 749,8 mV. Le matériau Super High Loss, avec sa fréquence de croisement plus faible, fonctionne de manière adéquate et serait le bon matériau à utiliser dans cette application (graphique à droite). Le sous-dépassement utilisant cette partie est réduit à 156,3 mV.

Au fur et à mesure que le courant continu à travers la perle augmente, le matériau du noyau commence à saturer. Pour les inductances, cela s'appelle le courant de saturation et est spécifié comme une diminution en pourcentage de la valeur d'inductance. Avec des billes de ferrite, alors que la pièce est dans sa phase résistive, l'effet de saturation se traduit par la diminution des valeurs d'impédance en fonction de la fréquence. Cette chute de l'impédance réduit l'efficacité de la perle de ferrite et sa capacité à éliminer le bruit EMI (AC). La figure 8 montre un ensemble de courbes de polarisation CC typiques pour une perle de ferrite.

Figure 8 : Effets sur l'impédance par le courant continu

Dans cette figure, la perle de ferrite est évaluée à 100 Ohms à 100 MHz. Il s'agit de l'impédance mesurée typique lorsqu'il n'y a pas de courant continu dans la pièce. Mais comme on peut le voir, une fois qu'un courant continu est appliqué (comme pour les entrées IC VCC), il y a une chute brutale de l'impédance effective, allant de 100 Ohms à 20 Ohms dans les courbes ci-dessus pour seulement un courant de 1,0 A à 100 MHz. Peut-être pas trop critique, mais quelque chose dont l'ingénieur de conception doit être conscient. Là encore, en n'utilisant que les données des caractéristiques électriques des pièces de la fiche technique du fournisseur, l'utilisateur n'aurait aucune connaissance de ce phénomène de polarisation DC.

Comme pour les inductances RF haute fréquence, le sens d'enroulement des bobines internes à l'intérieur de la perle de ferrite a un impact important sur le comportement en fréquence de la perle. La direction d'enroulement influence non seulement l'impédance par rapport aux niveaux de fréquence, mais modifie également la réponse en fréquence. Sur la figure 9, deux perles de ferrite de 1000 ohms, dans la même taille de boîtier et faites du même matériau mais avec deux configurations d'enroulement différentes, sont représentées.

Figure 9 : Perle « Giga » à gauche, perle standard à droite2

La partie de gauche, avec des bobines enroulées dans le plan vertical et empilées dans la direction horizontale, donne une impédance plus élevée et une réponse en fréquence plus élevée que la partie de droite qui est enroulée dans le plan horizontal et empilée dans la direction verticale. Ceci est dû en partie à la réactance capacitive inférieure (XC) associée à la capacité parasite réduite entre les terminaisons d'extrémité et les bobines internes. Le XC inférieur crée une fréquence de résonance propre plus élevée qui permet ensuite à la perle de ferrite de continuer à augmenter en impédance jusqu'à la fréquence de résonance propre plus élevée, ce qui entraîne également une valeur d'impédance pouvant être obtenue plus élevée que possible avec une perle de ferrite construite standard. Les courbes pour les deux billes de ferrite de 1 000 ohms ci-dessus sont illustrées à la figure 10.

Figure 10 : Comparaison de la réponse en fréquence due à la configuration de l'enroulement

Pour montrer davantage l'impact d'une sélection correcte et incorrecte de billes de ferrite, un circuit de test simple et une carte de test ont été utilisés pour démontrer une grande partie de ce qui a été discuté ci-dessus. Dans la figure 11, une carte de test est illustrée avec trois emplacements de perles de ferrite et des points de test étiquetés « A », « B » et « C » à 0 mm, 50 mm et 100 mm de distance de la sortie de la transmission (TX ) périphérique, respectivement.

Figure 11 : Configuration du test et carte de test

Les conditions de signal pour ce test étaient les suivantes :

L'intégrité du signal a été mesurée du côté sortie de la perle de ferrite à chacun des trois emplacements et dupliquée avec deux perles de ferrite faites de matériaux différents. Le premier matériau, un matériau "S" à basse fréquence et avec perte, a été testé aux points "A", "B" et "C". Ensuite, un matériau "D" de fréquence plus élevée a été utilisé. Les résultats point à point à l'aide de ces deux billes de ferrite sont illustrés à la figure 12.

Figure 12 : Résultats des tests de performance en circuit

Le signal non filtré "traversant" est affiché dans la ligne centrale et présente un certain dépassement et un certain dépassement sur les fronts montants et descendants respectivement. Comme on peut le voir, avec l'utilisation du matériau correct pour les conditions de test ci-dessus, le matériau avec perte de fréquence inférieure présentait une bonne amélioration du signal de dépassement et de sous-dépassement sur les fronts montants et descendants. Ces résultats sont présentés sur la figure 12 dans la rangée supérieure. Les résultats utilisant le matériau à haute fréquence ont provoqué une sonnerie qui a amplifié les niveaux de chacun et augmenté la période d'instabilité. Ces résultats de test sont affichés dans la ligne du bas.

Lorsque l'on regarde l'amélioration des EMI sur la fréquence pour la partie supérieure recommandée (à la Figure 12) dans le balayage horizontal illustré à la Figure 13, on peut voir que cette partie réduit considérablement les pics d'EMI et réduit les niveaux de bruit globaux, pour toutes les fréquences dans la gamme de 30 à environ 350 MHz, à un niveau acceptable bien en dessous de la limite EMI mise en évidence par la ligne rouge, qui est la norme réglementaire générale pour les appareils de classe B (FCC partie 15 aux États-Unis). Le matériau "S" utilisé dans la perle de ferrite est spécifiquement destiné à ces basses fréquences. Et comme on peut le voir, le matériau "S" a un impact limité sur les niveaux de bruit EMI non filtrés d'origine une fois que la fréquence dépasse 350 MHz, mais réduit le pic majeur à 750 MHz autour de 6 dB. Si la majeure partie du problème de bruit EMI était supérieure à 350 MHz, il faudrait envisager d'utiliser un matériau de ferrite à fréquence plus élevée dont l'impédance maximale est plus élevée dans le spectre de fréquences.

Figure 13 : Suppression du bruit EMI rayonné (horizontal)

Bien sûr, toutes les sonneries, illustrées dans les courbes inférieures de la figure 12, sont généralement évitées par les tests de performances réels et/ou les logiciels de simulation, mais nous espérons que cet article permettra au lecteur de contourner un grand nombre des erreurs courantes, diminuez le temps nécessaire pour sélectionner la bonne perle de ferrite et offrez un point de départ plus "instruit" lorsqu'une perle de ferrite est nécessaire pour aider à résoudre un problème d'EMI.

Pour éviter une mauvaise utilisation dans vos futurs besoins en billes de ferrite, il est recommandé de toujours :

En conclusion, il est souhaitable d'approuver des familles ou des séries de perles de ferrite, et pas seulement des numéros de pièce individuels, pour avoir plus d'options et une flexibilité de conception. Il convient de noter que différents fournisseurs utilisent différents matériaux, et il est indispensable que la performance de fréquence de chacun soit revue, en particulier lors de l'approvisionnement multiple pour le même projet. C'est assez facile à faire pour la première fois, mais une fois que les pièces sont entrées dans une base de données de composants sous un numéro de contrôle, et qu'elles peuvent être utilisées n'importe où par la suite, il est important que les performances de fréquence des pièces des différents fournisseurs ressemblent étroitement les uns aux autres afin d'éliminer les problèmes futurs potentiels pour d'autres applications. La meilleure façon de le faire est d'avoir des données similaires des différents fournisseurs et, au minimum, d'avoir la courbe d'impédance. Cela garantira également que la bonne perle de ferrite est utilisée pour résoudre votre problème EMI.

Et rappelez-vous, toutes les perles de ferrite ne sont pas créées égales.

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Chris Burket travaille chez TDK depuis 1995 et est maintenant un ingénieur d'application senior prenant en charge une vaste gamme de composants passifs. Il a été impliqué dans la conception de produits, les ventes techniques et le marketing. M. Burket a écrit et présenté des articles techniques dans de nombreux forums. M. Burket avait obtenu trois brevets américains dans les commutateurs optiques/mécaniques et dans les condensateurs.