مقدمه
استفاده از مهرههای فریت یک روش مؤثر برای فیلتر کردن نویز فرکانس بالا در سیستمهای تغذیه و ایزوله کردن تغذیه مشترک ایسی های دیجیتال و انالوگ میباشد.
یک مهره فریت یک قطعه پسیو یا غیرفعال است که انرژی نویز فرکانس بالا را در یک محدوده فرکانس گسترده فیلتر میکند. این مهره در محدوده فرکانس مورد نظر خود مقاومتی میشود و انرژی نویز را به صورت گرما دفع میکند. مهره فریت به صورت سری با خط تغذیه متصل میشود و اغلب با خازنهایی به زمین در هر دو طرف مهره ترکیب میشود. این ترکیب یک شبکه فیلتر پایینگذر را تشکیل میدهد که نویز فرکانس بالای تغذیه را بیشتر کاهش میدهد.
با این حال، استفاده نادرست از مهرههای فریت در طراحی سیستم میتواند به برخی مشکلات مضر منجر شود. برخی از مثالها شامل رزونانس ناخواسته به دلیل ترکیب مهره با خازن دیکوپلینگ برای فیلتر پایینگذر و اثر وابستگی جریان بایاس DC که قابلیت سرکوب EMI مهره را کاهش میدهد. با درک و توجه صحیح به رفتار مهره فریت، این مشکلات قابل اجتناب هستند.
این مقاله به بررسی ملاحظات مهمی که طراحان سیستم باید هنگام استفاده از مهرههای فریت در سیستمهای تغذیه در نظر بگیرند، مانند ویژگیهای امپدانس در مقابل فرکانس با جریان بایاس DC متغیر و اثرات رزونانس LC ناخواسته میپردازد. در نهایت، برای رفع مشکل رزونانس ناخواسته، تکنیکهای دمپینگ معرفی خواهند شد و مقایسهای از اثربخشی هر روش دمپینگ ارائه خواهد شد.
در این مقاله، دستگاهی که برای نشان دادن اثرات مهرههای فریت به عنوان فیلتر خروجی استفاده شده است، یک تنظیمکننده سوئیچینگ DC به DC با خروجیهای مستقل مثبت و منفی (ADP5071) با جریان 2 آمپر/1.2 آمپر است. مهرههای فریت استفاده شده در این مقاله عمدتاً بستههای سطحنصب نوع چیپ هستند.
همانطور که در شکل 1a نشان داده شده است، یک مهره فریت را می توان به عنوان یک مدار ساده متشکل از مقاومت، یک سلف و یک خازن مدل کرد.
RDC مربوط به مقاومت dc مهره است.
CPAR خازن پارازیتی
، LBEAD اندوکتانس مهره فریت بید
RAC مقاومت ac (تلفات هسته ac) مرتبط با مهره فریت بید هستند.
مهره های فریت بر اساس سه ناحیه پاسخ القایی، مقاومتی و خازنی طبقه بندی می شوند. این مناطق را می توان با نگاه کردن به نمودار ZRX (نشان داده شده در شکل 1b) تعیین کرد، جایی که Z امپدانس، R مقاومت و X راکتانس مهره است. برای کاهش نویز فرکانس بالا، مهره باید در ناحیه مقاومتی باشد. این امر به ویژه برای کاربردهای فیلتر تداخل الکترومغناطیسی (EMI) مطلوب است. این قطعه مانند یک مقاومت عمل می کند که مانع از نویز فرکانس بالا می شود و آن را به صورت گرما از بین می برد . ناحیه مقاومتی پس از فرکانس متقاطع مهره (X = R) و تا نقطه ای که مهره خازنی می شود رخ می دهد. این نقطه خازنی در فرکانسی رخ می دهد که مقدار مطلق راکتانس خازنی (–X) معادل R است.
در برخی موارد، مدل مدار ساده شده می تواند برای تقریب مشخصه ( ویژگی) امپدانس مهره فریت تا محدوده زیر گیگاهرتز استفاده شود.
مهره فریت چند لایه Tyco Electronics BMB2A1000LN2 به عنوان مثال استفاده می شود. شکل 1b پاسخ ZRX اندازه گیری شده BMB2A1000LN2 را برای جریان بایاس DC صفر با استفاده از آنالایزر امپدانس نشان می دهد.
برای منطقه ای در نمودار ZRX اندازه گیری شده که در آن مهره بیشتر القایی به نظر می رسد (Z ≈ XL; LBEAD) ، اندوکتانس مهره با معادله زیر محاسبه می شود:
آن:
f نقطه فرکانس در هر نقطه از منطقه ای است که مهره به نظر می رسد القایی است. در این مثال، f = 30.7 مگاهرتز. XL راکتانس در 30.7 مگاهرتز است که 233 Ω است.
معادله 1 مقدار اندوکتانس (LBEAD) 1.208 μH را به دست می دهد.
برای منطقه ای که مهره بیشترین ظرفیت را به نظر می رسد (Z ≈ |XC|; CPAR) ، خازن پارازیتی با معادله زیر محاسبه می شود:
آن:
f نقطه فرکانس در هر نقطه از منطقه ای است که مهره خازنی به نظر می رسد. در این مثال، f = 803 مگاهرتز |xc | راکتانس 803 مگاهرتز است که 118.1 Ω است.
معادله 2 مقدار خازنی پارازیتی (CPAR) 1.678 pF را به دست می دهد.
مقاومت dc (RDC) که 300 mΩ است، از برگه داده سازنده به دست می آید.
مقاومت ac (RAC) امپدانس اوج است که در آن مهره کاملا مقاومتی به نظر می رسد. RAC را با کم کردن RDC از Z محاسبه کنید. از آنجایی که RDC در مقایسه با امپدانس اوج (حداکثر ماکزیمم ) بسیار کوچک است، می توان از آن صرف نظر کرد .بنابراین ، در این حالت RAC 1.082 کیلو اهم است. ابزار شبیه ساز مدار ADIsimPE مجهز به SIMetrix/SIMPLIS برای تولید امپدانس در مقابل پاسخ فرکانس استفاده شد.
شکل 2a مدل شبیه سازی مدار را با مقادیر محاسبه شده نشان می دهد و شکل 2b هم اندازه گیری واقعی و هم نتیجه شبیه سازی شده را نشان می دهد. در این مثال، منحنی امپدانس از مدل شبیه سازی مدار با منحنی اندازه گیری شده مطابقت دارد.
شکل 2. (الف) مدل شبیه سازی مدار و (ب) اندازه گیری واقعی در مقابل شبیه سازی.
مدل مهره فریت می تواند در طراحی و تحلیل مدار فیلتر نویز مفید باشد. به عنوان مثال، تقریب اندوکتانس مهره می تواند در تعیین قطع فرکانس تشدید در هنگام ترکیب با یک خازن جداکننده در یک شبکه فیلتر پایین گذر مفید باشد. با این حال، مدل مدار مشخص شده در این مقاله یک تقریب با جریان بایاس dc صفر است. این مدل ممکن است با توجه به جریان بایاس dc تغییر کند و در موارد دیگر، مدل پیچیده تری مورد نیاز است.
ملاحظات فعلی سوگیری DC
انتخاب مهره فریت مناسب برای کاربردهای برق نه تنها نیاز به بررسی دقیق پهنای باند فیلتر، بلکه ویژگی های امپدانس مهره با توجه به جریان بایاس dc دارد. در بیشتر موارد، تولیدکنندگان فقط امپدانس مهره را در 100 مگاهرتز مشخص می کنند و برگه های داده را با منحنی های پاسخ فرکانسی در جریان بایاس DC صفر منتشر می کنند. با این حال، هنگام استفاده از دانه های فریت برای فیلتر کردن منبع تغذیه، جریان باری که از مهره فریت عبور می کند هرگز صفر نیست و با افزایش جریان بایاس dc از صفر، همه این پارامترها به طور قابل توجهی تغییر می کنند.
با افزایش جریان بایاس dc، مواد هسته شروع به اشباع می کنند که به طور قابل توجهی اندوکتانس مهره فریت را کاهش می دهد. درجه اشباع اندوکتانس بسته به مواد مورد استفاده برای هسته قطعه متفاوت است. شکل 3a وابستگی بایاس dc معمولی اندوکتانس برای دو مهره فریت را نشان می دهد. با 50 درصد جریان های نامی، اندوکتانس تا 90 درصد کاهش می یابد.
شکل 3. (الف) تأثیر جریان بایاس dc بر منحنی های اندوکتانس و امپدانس مهره با توجه به جریان بایاس dc برای: (ب) یک مهره MPZ1608S101A TDK و (ج) یک مهره Würth Elektronik 742 792 510.
برای فیلتر موثر نویز منبع تغذیه، یک دستورالعمل طراحی استفاده از مهره های فریت در حدود 20 درصد جریان dc نامی آنها است. همانطور که در این دو مثال نشان داده شده است، اندوکتانس در 20 درصد جریان نامی برای مهره 6 A به حدود 30 درصد و برای مهره 3 A به حدود 15 درصد کاهش می یابد. رتبه فعلی دانه های فریت نشان دهنده حداکثر جریانی است که دستگاه می تواند برای افزایش دما مشخص بگیرد و یک نقطه عملیاتی واقعی برای اهداف فیلتر نیست.
علاوه بر این، اثر جریان بایاس dc را می توان در کاهش مقادیر امپدانس بیش از فرکانس مشاهده کرد که به نوبه خود باعث کاهش کارایی مهره فریت و توانایی آن در حذف EMI می شود. شکل 3b و شکل 3c نشان می دهد که چگونه امپدانس مهره فریت با جریان بایاس dc متفاوت است. با اعمال تنها 50 درصد جریان نامی، امپدانس موثر در 100 مگاهرتز به طور چشمگیری از 100 Ω به 10 Ω برای TDK MPZ1608S101A (100 Ω، 3 A، 0603) و از 70 Ω به 15 Ω برای Würth Elektronik 742 792 510 (70 Ω، 6 A، 1812) کاهش می یابد.
طراحان سیستم باید کاملا از تأثیر جریان بایاس DC بر اندوکتانس مهره و امپدانس موثر آگاه باشند، زیرا این می تواند در کاربردهایی که جریان عرضه بالایی را نیاز دارند، حیاتی باشد.
اثر رزونانس LC
اوج رزونانس هنگام اجرای یک مهره فریت همراه با یک خازن جداکننده امکان پذیر است. این اثر که معمولا نادیده گرفته می شود می تواند مضر باشد زیرا ممکن است به جای تضعیف موج دار شدن و نویز در یک سیستم معین تقویت شود. در بسیاری از موارد، این اوج در اطراف فرکانس های سوئیچینگ محبوب مبدل های dc-to-dc رخ می دهد.
اوج زمانی اتفاق می افتد که فرکانس تشدید یک شبکه فیلتر پایین گذر که توسط اندوکتانس مهره فریت و ظرفیت جداسازی Q بالا تشکیل می شود، زیر فرکانس متقاطع مهره باشد. فیلتر حاصل کم میرایی است. شکل 4a امپدانس اندازه گیری شده در مقابل نمودار فرکانس MPZ1608S101A TDK را نشان می دهد. مؤلفه مقاومتی که برای اتلاف انرژی ناخواسته به آن وابسته است، تا زمانی که به محدوده 20 مگاهرتز تا 30 مگاهرتز نرسد، قابل توجه نمی شود. در زیر این فرکانس، مهره فریت هنوز Q بسیار بالایی دارد و مانند یک سلف ایده آل عمل می کند. فرکانس های تشدید LC برای فیلترهای مهره معمولی معمولا در محدوده 0.1 مگاهرتز تا 10 مگاهرتز هستند. برای فرکانس های سوئیچینگ معمولی در محدوده 300 کیلوهرتز تا 5 مگاهرتز، میرایی اضافی برای کاهش فیلتر Q مورد نیاز است
شکل 4. (الف) نمودار TDK MPZ1608S101A ZRX و (ب) پاسخ S21 برای یک مهره فریت و فیلتر پایین گذر خازن.
به عنوان نمونه ای از این اثر، شکل 4b پاسخ فرکانسی S21 فیلتر پایین گذر مهره و خازن را نشان می دهد که اثر اوج را نشان می دهد. مهره فریت مورد استفاده یک MPZ1608S101A TDK (100 Ω، 3 A، 0603) و خازن جداکننده مورد استفاده خازن سرامیکی Murata GRM188R71H103KA01 Low ESR (10 nF، X7R، 0603) است. جریان بار در محدوده میکروآمپر است.
یک فیلتر مهره فریت بدون آمپر بسته به Q مدار فیلتر می تواند قله هایی از تقریبا 10 دسی بل تا تقریبا 15 دسی بل را نشان دهد. در شکل 4b، اوج در حدود 2.5 مگاهرتز با افزایش 10 دسی بل رخ می دهد.
علاوه بر این، افزایش سیگنال را می توان از 1 مگاهرتز تا 3.5 مگاهرتز مشاهده کرد. این اوج اگر در باند فرکانسی که رگولاتور سوئیچینگ در آن کار می کند رخ دهد، مشکل ساز است. این مصنوعات سوئیچینگ ناخواسته را تقویت می کند، که می تواند عملکرد بارهای حساس مانند حلقه قفل فاز (PLL)، اسیلاتورهای کنترل شده ولتاژ (VCO) و مبدل های آنالوگ به دیجیتال با وضوح بالا (ADC) را ویران کند. نتیجه نشان داده شده در شکل 4b با بار بسیار سبک (در محدوده میکروآمپر) گرفته شده است، اما این یک کاربرد واقع بینانه در بخش هایی از مدارها است که فقط به چند میکرو آمپر تا 1 میلی آمپر جریان بار یا بخش هایی که برای صرفه جویی در مصرف برق در برخی از حالت های عملیاتی خاموش هستند، نیاز دارند. این اوج بالقوه نویز اضافی در سیستم ایجاد می کند که می تواند تداخل ناخواسته ایجاد کند.
به عنوان مثال، شکل 5 یک مدار برنامه ADP5071 با یک فیلتر مهره پیاده سازی شده را نشان می دهد و شکل 6 نمودار طیفی را در خروجی مثبت نشان می دهد. فرکانس سوئیچینگ روی 2.4 مگاهرتز، ولتاژ ورودی 9 ولت، ولتاژ خروجی روی 16 ولت و جریان بار 5 میلی آمپر تنظیم شده است.
شکل 5. ADP5071 مدار کاربردی با مهره و خازن پیاده سازی فیلتر پایین گذر در خروجی مثبت.
شکل 6. ADP5071 خروجی طیفی در بار 5 میلی آمپر.
اوج تشدید در حدود 2.5 مگاهرتز به دلیل اندوکتانس مهره و خازن سرامیکی 10 nF رخ می دهد. به جای تضعیف فرکانس ریپل اساسی در 2.4 مگاهرتز، افزایش 10 دسی بل رخ می دهد.
از دیگر عواملی که بر قله های تشدید تأثیر می گذارند، امپدانس سری و بار فیلتر مهره فریت است. اوج به طور قابل توجهی کاهش می یابد و برای مقاومت بیشتر منبع میرایی می شود. با این حال ، تنظیم بار با این رویکرد کاهش می یابد و در عمل آن را غیرواقعی می کند. ولتاژ خروجی با جریان بار به دلیل افت مقاومت سری کاهش می یابد. امپدانس بار نیز بر پاسخ اوج تأثیر می گذارد. اوج برای شرایط بار سبک بدتر است.
روش های میرایی
این بخش سه روش میرایی را توصیف می کند که یک مهندس سیستم می تواند از آنها برای کاهش قابل توجه سطح قله تشدید استفاده کند (شکل 7 را ببینید).
شکل 7. پاسخ فرکانسی واقعی برای روش های مختلف میرایی.
روش A شامل افزودن یک مقاومت سری به مسیر خازن جداکننده است که رزونانس سیستم را کاهش می دهد اما کارایی بای پس را در فرکانس های بالا کاهش می دهد. روش B شامل افزودن یک مقاومت موازی کوچک در سراسر مهره فریت است که رزونانس سیستم را نیز کاهش می دهد. با این حال، ویژگی میرایی فیلتر در فرکانس های بالا کاهش می یابد. شکل 8 امپدانس در مقابل منحنی فرکانس MPZ1608S101A با و بدون مقاومت موازی 10 Ω را نشان می دهد. منحنی خط چین سبز روشن امپدانس کلی مهره با مقاومت 10 Ω به صورت موازی است. امپدانس ترکیب مهره و مقاومت به طور قابل توجهی کاهش می یابد و تحت سلطه مقاومت 10 Ω است. با این حال، فرکانس متقاطع 3.8 مگاهرتز برای مهره با مقاومت موازی 10 Ω بسیار کمتر از فرکانس متقاطع مهره به تنهایی در 40,3 مگاهرتز است. مهره در محدوده فرکانس بسیار پایین تر مقاومتی به نظر می رسد و Q را برای بهبود عملکرد میرایی کاهش می دهد.
شکل 8. (الف) MPZ1608S101A طرح ZRX و (ب) نمودار MPZ1608S101A ZRX، نمای بزرگنمایی.
روش C شامل اضافه کردن یک خازن بزرگ (Cمرطوب) با یک مقاومت میرایی سری (Rمرطوب)، که اغلب یک راه حل بهینه است.
افزودن خازن و مقاومت رزونانس سیستم را کاهش می دهد و کارایی بای پس را در فرکانس های بالا کاهش نمی دهد. اجرای این روش از اتلاف بیش از حد توان در مقاومت به دلیل وجود خازن مسدود کننده dc بزرگ جلوگیری می کند. خازن باید بسیار بزرگتر از مجموع تمام خازن های جداکننده باشد که مقدار مقاومت میرایی مورد نیاز را کاهش می دهد. امپدانس خازن باید به اندازه کافی کوچکتر از مقاومت میرایی در فرکانس تشدید باشد تا اوج کاهش یابد.
شکل 9 نمودار طیفی خروجی مثبت ADP5071 را با میرایی روش C پیاده سازی شده در مدار برنامه نشان داده شده در شکل 5 نشان می دهد. سیمرطوب و Rمرطوب به ترتیب یک خازن سرامیکی 1 μF و یک مقاومت SMD 2 Ω استفاده می شود. ریپل بنیادی در 2.4 مگاهرتز در مقایسه با افزایش 10 دسی بل نشان داده شده در شکل 9 5 دسی بل کاهش می یابد.
شکل 9. خروجی طیفی ADP5071 به علاوه یک فیلتر پایین گذر مهره ای و خازن با میرایی روش C.
به طور کلی، روش C ظریف ترین است و با افزودن یک مقاومت به صورت سری با خازن سرامیکی به جای خرید یک خازن میرایی اختصاصی گران قیمت اجرا می شود. ایمن ترین طرح ها همیشه شامل مقاومتی هستند که می تواند در حین نمونه سازی بهینه سازی شود و در صورت عدم لزوم می توان آن را حذف کرد. تنها اشکالات هزینه اضافی قطعات و فضای بیشتر برد مورد نیاز است.
نتیجه
این مقاله ملاحظات کلیدی را نشان می دهد که باید هنگام استفاده از مهره های فریت در نظر گرفته شود. همچنین جزئیات یک مدل مدار ساده را نشان می دهد که مهره را نشان می دهد. نتایج شبیه سازی همبستگی خوبی را با امپدانس اندازه گیری شده واقعی در مقابل پاسخ فرکانسی در جریان بایاس dc صفر نشان می دهد.
این مقاله همچنین به بررسی تأثیر جریان بایاس dc بر ویژگی های مهره فریت می پردازد. این نشان می دهد که جریان بایاس dc بیشتر از 20٪ جریان نامی می تواند باعث افت قابل توجهی در اندوکتانس مهره شود. چنین جریانی همچنین می تواند امپدانس موثر مهره را کاهش دهد و قابلیت فیلتر EMI آن را کاهش دهد. هنگام استفاده از مهره های فریت در ریل تامین با جریان بایاس dc، اطمینان حاصل کنید که جریان باعث اشباع مواد فریت نمی شود و تغییر قابل توجهی در اندوکتانس ایجاد می کند.
از آنجایی که مهره فریت القایی است، بدون توجه دقیق از آن با خازن های جداکننده Q بالا استفاده نکنید. انجام این کار می تواند با تولید رزونانس ناخواسته در یک مدار، بیشتر از اینکه مفید باشد، ضرر داشته باشد. با این حال، روش های میرایی پیشنهاد شده در این مقاله با استفاده از یک خازن جداکننده بزرگ به صورت سری با یک مقاومت میرایی در سراسر بار، راه حلی آسان ارائه می دهند، بنابراین از رزونانس ناخواسته جلوگیری می کنند. استفاده صحیح از دانه های فریت می تواند راهی موثر و ارزان برای کاهش نویز فرکانس بالا و سوئیچینگ گذرا باشد.
مراجع
AN-583 یادداشت برنامه، طراحی فیلترهای جداسازی برق با مهره های فریت برای FPGA های Altera. شرکت آلترا.
کتابچه راهنمای کاربرد برای سرکوب نویز منبع تغذیه و جداسازی برای آی سی های دیجیتال. Murata شرکت تولیدی، آموزشی ویبولیتین
بورکت ، کریس. “همه مهره های فریت یکسان خلق نشده اند – درک اهمیت رفتار مادی مهره فریت.” شرکت TDK.
اکو ، جفرسون و آلدریک لیمجوکو. AN-1368 یادداشت برنامه، مهره فریت ابهام زدایی. دستگاه های آنالوگ ، شرکت
Fancher، David B. “ILB، ILBB مهره های فریت: تداخل الکترومغناطیسی و سازگاری الکترومغناطیسی (EMI/EMC).” ویشای دیل.
هیل، لی و ریک میدورز. “سرکوب EMI مباشر.” مباشر.
کندرت ، کن. “کاهش نویز منبع تغذیه.” راهنمای طراح مشاوره، شرکت
ویر ، استیو. “کاربرد PDN مهره های فریت.” IPBLOX، LLC.
تقدیر و تشکر
نویسندگان مایلند از جف ویور، دونال اوسالیوان، لوکا واسالی و پت میهان (دانشگاه لیمریک، ایرلند)
نویسنده
آلدریک لیمجوکو
Aldrick S. Limjoco در حال حاضر به عنوان مدیر برنامه های Power در Analog Devices Philippines کار می کند. او در سال 2006 به ADI پیوست و نقش های مهندسی مختلفی را در زمینه هایی مانند ارزیابی طراحی، کاربردهای محصول و تحقیقات برنامه های کاربردی بر عهده داشته است. آلدریک در حال حاضر دارای 3 اختراع ثبت شده در ایالات متحده است و انتشارات فنی را در مورد موضوعات تکنیک های اندازه گیری ریپل خروجی تنظیم کننده سوئیچینگ ، تکنیک های جدید برای کاربردهای منبع تغذیه با موج کم و پیچیدگی های مهره فریت تألیف کرده است. وی مدرک کارشناسی ارشد خود را در دانشگاه لیمریک ایرلند و مدرک لیسانس خود را در رشته مهندسی الکترونیک در دانشگاه De La Salle مانیل ، فیلیپین دریافت کرد.
جفرسون اکو
جفرسون A. Eco در حال حاضر به عنوان مهندس توسعه برنامه در ADI فیلیپین کار می کند. او در سال 2011 به ADI پیوست. جفرسون در حال حاضر دارای یک حق ثبت اختراع ایالات متحده است و انتشارات فنی را در مورد موضوعات تنظیم کننده های سوئیچینگ که ADC های GSPS را تأمین می کنند و درک مهره های فریت تألیف/همکاری کرده است. تمرکز محصول جفرسون بر مدیریت انرژی برای کاربردهای صنعتی و مبدل های DC به DC همه منظوره توپولوژی های مختلف مانند فلای بک، باک، معکوس باک بوست و تنظیم کننده های LDO است. وی مدرک لیسانس خود را در رشته مهندسی الکترونیک در کالج های پلی تکنیک Camarines Sur در شهر ناگا ، فیلیپین به دست آورد.
