Non tutte le perle di ferrite sono uguali

Uno scenario comune: un ingegnere progettista inserisce un cordone di ferrite in un circuito che presenta problemi EMC, solo per scoprire che il cordone ha effettivamente causato un rumore PEGGIORE. Come può essere? Le sfere di ferrite non dovrebbero rimuovere l'energia del rumore e non peggiorare il problema?

La risposta a questa domanda è abbastanza semplice, ma potrebbe non essere ampiamente compresa al di fuori di coloro che lavorano la maggior parte del loro tempo risolvendo problemi EMI. In poche parole, una perlina di ferrite non è una perlina di ferrite, non è una perlina di ferrite, ecc. La maggior parte dei produttori di perline di ferrite fornisce una tabella che elenca il codice prodotto, l'impedenza a una determinata frequenza (solitamente 100 MHz), la resistenza CC (DCR) , una corrente nominale massima e alcune informazioni dimensionali (vedere Tabella 1). Tutta roba praticamente standard. Ciò che non viene mostrato nella tabella dati sono le informazioni sui materiali e le rispettive caratteristiche prestazionali in base alla frequenza.

Tabella 1: Tabella dati tipica delle sfere di ferrite

Una perla di ferrite è un dispositivo passivo che rimuove l'energia sonora da un circuito sotto forma di calore. La perlina crea un'impedenza su un'ampia gamma di frequenze che elimina tutta o parte dell'energia del rumore indesiderato su quella gamma di frequenze. Per le applicazioni con tensione CC (come le linee Vcc per i circuiti integrati), è auspicabile avere un valore di resistenza CC basso per non avere grandi perdite di potenza all'interno del segnale e/o della sorgente di tensione o corrente desiderati (I2 x perdite DCR). Tuttavia, è desiderabile avere un'impedenza elevata su un intervallo di frequenze definito. Pertanto, l'impedenza è correlata al materiale utilizzato (permeabilità), alla dimensione del cordone di ferrite, al numero di avvolgimenti e alla struttura dell'avvolgimento. Ovviamente, maggiore è il numero di avvolgimenti all'interno di una determinata dimensione dell'involucro e per uno specifico materiale utilizzato, maggiore è l'impedenza, ma ciò produrrà anche una maggiore resistenza CC poiché la lunghezza fisica della bobina interna è maggiore. La corrente nominale del componente è inversamente proporzionale alla sua resistenza CC.

Uno degli aspetti fondamentali dell'utilizzo delle sfere di ferrite per le applicazioni EMI è che il componente deve trovarsi nella sua fase resistiva. Cosa significa questo? Significa semplicemente che "R" (resistenza CA) deve essere maggiore di "XL" (reattanza induttiva). Alle frequenze in cui XL > R (frequenze più basse), la parte si comporta più come un induttore che come un resistore. Alle frequenze in cui R > XL, la parte si comporta come un resistore che è la proprietà desiderata del cordone di ferrite. La frequenza alla quale "R" diventa maggiore di "XL" è chiamata frequenza di "crossover". Ciò è mostrato nella Figura 1 con la frequenza di crossover contrassegnata, 30 MHz in questo esempio, dalla freccia rossa.

Figura 1: frequenza incrociata

Un altro modo di vedere la cosa è in termini di ciò che la parte sta effettivamente facendo mentre si trova nelle sue fasi induttiva e resistiva. Come altre applicazioni in cui è presente un disadattamento di impedenza con gli induttori, parte del segnale introdotto viene riflesso verso la sorgente. Ciò può fornire una certa protezione ai dispositivi sensibili sull'altro lato del cordone di ferrite, ma introduce anche una "L" nel circuito e ciò può causare risonanze e oscillazioni (suono). Pertanto, quando la perlina è ancora di natura induttiva, parte dell'energia sonora verrà riflessa e una certa percentuale passerà, a seconda dei valori di induttanza e impedenza.

Quando la ferrite è nella sua fase resistiva, il componente si comporta, come detto, come un resistore e quindi impedisce l'energia del rumore e assorbe questa energia dal circuito e lo fa sotto forma di calore. Sebbene costruiti in modo identico ad alcuni induttori, utilizzando gli stessi processi, linee e tecniche di produzione, macchinari e alcuni degli stessi materiali dei componenti, il cordone di ferrite utilizza un materiale di ferrite con perdite mentre un induttore utilizza un materiale di ferrite con perdite inferiori. Ciò è mostrato nelle curve della Figura 2.

Figura 2: riflessione e assorbimento

Questa figura mostra [μ''] che viene utilizzato per riflettere il comportamento del materiale con perdite di ferrite.