חֲדָשׁוֹת

מצב נפוץ: מהנדס תכנון מכניס חרוז פריט למעגל שחווה בעיות EMC, רק כדי לגלות שהחרוז למעשה מחמיר רעש לא רצוי. איך זה יכול להיות? האם חרוזי פריט לא צריכים לחסל אנרגיית רעש מבלי להחמיר את הבעיה?
התשובה לשאלה זו היא פשוטה למדי, אך ייתכן שהיא לא מובנת באופן נרחב למעט אלו שמבלים את רוב הזמן בפתרון בעיות EMI. במילים פשוטות, חרוזי פריט אינם חרוזי פריט, לא חרוזי פריט וכו'. רוב יצרני חרוזי הפריט מספקים טבלה המפרטת את מספר החלק שלהם, עכבה בתדר נתון כלשהו (בדרך כלל 100 מגה-הרץ), התנגדות DC (DCR), זרם נקוב מרבי וכמה ממדים מידע (ראה טבלה 1). הכל כמעט סטנדרטי. מה שלא מופיע בנתונים גיליון הוא המידע החומרי ומאפייני ביצועי התדר המתאימים.
חרוזי פריט הם מכשיר פסיבי שיכול להסיר אנרגיית רעש מהמעגל בצורה של חום. חרוזים מגנטיים מייצרים עכבה בטווח תדרים רחב, ובכך מבטלים את כל או חלק מאנרגיית הרעש הלא רצויה בטווח תדרים זה. עבור יישומי מתח DC ( כגון קו Vcc של IC), רצוי שיהיה לו ערך התנגדות DC נמוך כדי למנוע הפסדי חשמל גדולים באות ו/או במקור מתח או זרם הנדרש (I2 x DCR אובדן). עם זאת, רצוי שיהיה עכבה גבוהה בטווחי תדרים מוגדרים מסוימים. לפיכך, העכבה קשורה לחומר המשמש (חדירות), לגודל חרוז הפריט, למספר הפיתולים ולמבנה המתפתל. ברור שבגודל דיור נתון ובחומר ספציפי בו נעשה שימוש , ככל שיותר פיתולים, כך העכבה גבוהה יותר, אך ככל שהאורך הפיזי של הסליל הפנימי ארוך יותר, הדבר יפיק גם התנגדות DC גבוהה יותר. הזרם המדורג של רכיב זה עומד ביחס הפוך להתנגדות DC שלו.
אחד ההיבטים הבסיסיים של שימוש בחרוזי פריט ביישומי EMI הוא שהרכיב חייב להיות בשלב ההתנגדות. מה זה אומר? במילים פשוטות, זה אומר ש"R" (התנגדות AC) חייבת להיות גדולה מ-"XL" (אינדוקטיבית תגובתיות). בתדרים שבהם XL> R (תדר נמוך יותר), הרכיב דומה יותר למשרן מאשר לנגד. בתדר של R> XL, החלק מתנהג כנגד, שהוא מאפיין נדרש של חרוזי פריט. התדר שבו "R" הופך גדול יותר מ-"XL" נקרא תדר "הצלבה". זה מוצג באיור 1, שבו תדר ההצלבה הוא 30 מגה-הרץ בדוגמה זו ומסומן בחץ אדום.
דרך נוספת להסתכל על זה היא במונחים של מה שהרכיב מבצע בפועל במהלך שלבי ההשראות וההתנגדות שלו. כמו ביישומים אחרים שבהם העכבה של המשרן אינה מותאמת, חלק מהאות הנכנס משתקף בחזרה למקור. זה יכול לספק הגנה מסוימת לציוד הרגיש בצד השני של חרוז הפריט, אך הוא גם מכניס "L" למעגל, מה שעלול לגרום לתהודה ותנודה (צלצול). לכן, כאשר החרוזים המגנטיים עדיין אינדוקטיביים באופיים, חלק של אנרגיית הרעש תשתקף וחלק מאנרגיית הרעש תעבור, בהתאם לערכי השראות והעכבה.
כאשר חרוז הפריט נמצא בשלב ההתנגדות שלו, הרכיב מתנהג כמו נגד, ולכן הוא חוסם אנרגיית רעש וסופג את האנרגיה הזו מהמעגל, וסופג אותה בצורה של חום. למרות שבנוי באותו אופן כמו כמה משרנים, באמצעות אותו תהליך, קו ייצור וטכנולוגיה, מכונות וחלק מאותם חומרי רכיבים, חרוזי פריט משתמשים בחומרי פריט מאבדים, בעוד שמשרנים משתמשים בחומר ברזל עם אובדן חמצן נמוך. הדבר מוצג בעקומה באיור 2.
האיור מציג [μ''], המשקף את ההתנהגות של חומר חרוזי פריט אובדן.
העובדה שהעכבה ניתנת ב-100 מגה-הרץ היא גם חלק מבעיית הבחירה.במקרים רבים של EMI, העכבה בתדר זה אינה רלוונטית ומטעה. הערך של "נקודה" זו אינו מציין אם העכבה עולה, יורדת , הופך שטוח, והעכבה מגיעה לערך השיא שלה בתדר זה, והאם החומר עדיין בשלב ההשראות שלו או שעבר טרנספורמציה לשלב ההתנגדות שלו. למעשה, ספקים רבים של חרוזי פריט משתמשים במספר חומרים עבור אותו חרוז פריט, או לפחות כפי שמוצג בגיליון הנתונים. ראה איור 3. כל 5 העקומות באיור זה הן עבור חרוזי פריט שונים של 120 אוהם.
לאחר מכן, מה שהמשתמש צריך להשיג הוא עקומת העכבה המציגה את מאפייני התדר של חרוז הפריט. דוגמה לעקומת עכבה טיפוסית מוצגת באיור 4.
איור 4 מציג עובדה חשובה מאוד. חלק זה מיועד כחרוז פריט של 50 אוהם עם תדר של 100 מגה-הרץ, אך תדר ההצלבה שלו הוא כ-500 מגה-הרץ, והוא משיג יותר מ-300 אוהם בין 1 ל-2.5 גיגה-הרץ. שוב, רק הסתכלות בגיליון הנתונים לא תאפשר למשתמש לדעת זאת ועלולה להטעות.
כפי שמוצג באיור, תכונות החומרים משתנות. ישנן גרסאות רבות של פריט המשמשות לייצור חרוזי פריט. חלק מהחומרים הם אובדן גבוה, פס רחב, תדר גבוה, אובדן הכנסה נמוך וכן הלאה. איור 5 מציג את הקיבוץ הכללי לפי תדירות יישום ועכבה.
בעיה נפוצה נוספת היא שמתכנני לוחות מעגלים מוגבלים לפעמים לבחירת חרוזי פריט במאגר הרכיבים המאושרים שלהם. אם לחברה יש רק חרוזי פריט בודדים שאושרו לשימוש במוצרים אחרים ונחשבים כמספקים, במקרים רבים, אין צורך להעריך ולאשר חומרים ומספרי חלקים אחרים. בעבר האחרון, זה הוביל שוב ושוב לכמה השפעות מחמירות של בעיית הרעש המקורית של EMI שתוארה לעיל. השיטה היעילה בעבר עשויה לחול על הפרויקט הבא, או שהיא לא יכול להיות יעיל. אתה לא יכול פשוט לעקוב אחר פתרון ה-EMI של הפרויקט הקודם, במיוחד כאשר תדירות האות הנדרש משתנה או התדירות של רכיבים מקרינים פוטנציאליים כגון ציוד שעון משתנה.
אם אתה מסתכל על שתי עקומות העכבה באיור 6, אתה יכול להשוות את ההשפעות החומריות של שני חלקים ייעודיים דומים.
עבור שני רכיבים אלה, העכבה ב-100 מגה-הרץ היא 120 אוהם. עבור החלק משמאל, באמצעות החומר "B", העכבה המקסימלית היא כ-150 אוהם, והיא מתממשת ב-400 מגה-הרץ. עבור החלק מימין , תוך שימוש בחומר "D", העכבה המקסימלית היא 700 אוהם, אשר מושגת ב-700 מגה-הרץ בקירוב. אבל ההבדל הגדול ביותר הוא תדר ההצלבה. החומר "B" עם אובדן גבוה במיוחד עובר ב-6 מגה-הרץ (R> XL) , בעוד החומר "D" בתדר גבוה מאוד נשאר אינדוקטיבי בסביבות 400 מגה-הרץ. באיזה חלק הוא הנכון להשתמש? זה תלוי בכל יישום בנפרד.
איור 7 מציג את כל הבעיות הנפוצות המתרחשות כאשר בחרו בחרוזי פריט שגויים כדי לדכא EMI. האות הלא מסונן מראה 474.5 mV undershoot בפולס של 3.5V, 1 uS.
כתוצאה של שימוש בחומר בעל אובדן גבוה (החלקה המרכזית), תת-הפס של המדידה גדל עקב תדירות ההצלבה הגבוהה יותר של החלק. תת-הפס האות גדל מ-474.5 mV ל-749.8 mV. לחומר Super High Loss יש תדר מוצלב נמוך וביצועים טובים. זה יהיה החומר המתאים לשימוש ביישום זה (תמונה מימין). התחתית באמצעות החלק הזה מצטמצמת ל-156.3 mV.
כאשר הזרם הישר דרך החרוזים גדל, חומר הליבה מתחיל להרוות. עבור משרנים, זה נקרא זרם רוויה והוא מצוין כאחוז ירידה בערך השראות. עבור חרוזי פריט, כאשר החלק נמצא בשלב ההתנגדות, השפעת הרוויה באה לידי ביטוי בירידה בערך העכבה עם התדר. ירידה זו בעכבה מפחיתה את האפקטיביות של חרוזי הפריט ואת יכולתם לחסל רעשי EMI (AC). איור 8 מציג קבוצה של עקומות הטיית DC טיפוסיות עבור חרוזי פריט.
באיור זה, חרוז הפריט מדורג ב-100 אוהם ב-100 מגה-הרץ. זוהי העכבה הנמדדת האופיינית כאשר לחלק אין זרם DC. עם זאת, ניתן לראות שברגע שמופעל זרם DC (לדוגמה, עבור IC VCC קלט), העכבה האפקטיבית יורדת בחדות. בעקומה לעיל, עבור זרם 1.0 A, העכבה האפקטיבית משתנה מ-100 אוהם ל-20 אוהם. 100 מגה-הרץ. אולי לא קריטי מדי, אבל משהו שמהנדס התכנון חייב לשים לב אליו. באופן דומה, על ידי שימוש רק בנתונים המאפיינים החשמליים של הרכיב בגיליון הנתונים של הספק, המשתמש לא יהיה מודע לתופעת הטיית DC זו.
כמו משרני RF בתדר גבוה, לכיוון הפיתול של הסליל הפנימי בחרוז הפריט יש השפעה רבה על מאפייני התדר של החרוז. כיוון הסלילה משפיע לא רק על הקשר בין עכבה לרמת התדר, אלא גם משנה את תגובת התדר. באיור 9, שני חרוזי פריט של 1000 אוהם מוצגים עם אותו גודל בית ואותו חומר, אך עם שתי תצורות מתפתלות שונות.
הסלילים של החלק השמאלי מפותלים במישור האנכי ומוערמים בכיוון האופקי, מה שמייצר עכבה גבוהה יותר ותגובת תדר גבוהה יותר מהחלק בצד ימין המפותל במישור האופקי ומוערם בכיוון האנכי. הדבר נובע בחלקו לתגובתית הקיבולית הנמוכה יותר (XC) הקשורה לקיבול הטפילי המופחת בין מסוף הקצה לסליל הפנימי. XC נמוך יותר ייצור תדר תהודה עצמית גבוה יותר, ולאחר מכן יאפשר לעכבה של חרוז הפריט להמשיך ולעלות עד שהוא מגיע לתדר תהודה עצמית גבוה יותר, שהוא גבוה יותר מהמבנה הסטנדרטי של חרוז הפריט ערך העכבה. הקימורים של שני חרוזי פריט של 1000 אוהם לעיל מוצגים באיור 10.
כדי להראות עוד יותר את ההשפעות של בחירת חרוזי פריט נכונה ושגויה, השתמשנו במעגל בדיקה פשוט ובלוח בדיקה כדי להדגים את רוב התוכן שנדון לעיל. באיור 11, לוח הבדיקה מציג את המיקומים של שלושה חרוזי פריט ונקודות הבדיקה המסומנות "A", "B" ו- "C", הממוקמות במרחק מהתקן פלט המשדר (TX).
שלמות האות נמדדת בצד הפלט של חרוזי הפריט בכל אחד משלושת המצבים, וחוזרת על עצמה עם שני חרוזי פריט העשויים מחומרים שונים. החומר הראשון, חומר "S" בעל אובדן תדר נמוך, נבדק בנקודות "A", "B" ו- "C". לאחר מכן, נעשה שימוש בחומר "D" בתדירות גבוהה יותר. התוצאות מנקודה לנקודה באמצעות שני חרוזי פריט אלה מוצגות באיור 12.
האות הלא מסונן "דרך" מוצג בשורה האמצעית, מראה חריגה ותת חריגה מסוימת בקצוות העולים והיורדים, בהתאמה. ניתן לראות ששימוש בחומר הנכון עבור תנאי הבדיקה הנ"ל, החומר המאבד בתדר נמוך יותר מראה חריגה טובה ושיפור אות תת-המגמה בקצוות העולים והיורדים. תוצאות אלה מוצגות בשורה העליונה של איור 12. התוצאה של שימוש בחומרים בתדר גבוה עלולה לגרום לצלצולים, אשר מגבירים כל רמה ומגדילים את תקופת חוסר היציבות. תוצאות בדיקה אלו הן מוצג בשורה התחתונה.
כאשר מסתכלים על השיפור של EMI עם התדר בחלק העליון המומלץ (איור 12) בסריקה האופקית המוצגת באיור 13, ניתן לראות כי עבור כל התדרים, חלק זה מפחית באופן משמעותי קוצים EMI ומפחית את רמת הרעש הכוללת ב-30 בטווח של 350 מגה-הרץ בערך, הרמה המקובלת היא הרבה מתחת לגבול ה-EMI המודגש על ידי הקו האדום. זהו התקן הרגולטורי הכללי לציוד Class B (FCC Part 15 בארה"ב). החומר "S" המשמש בחרוזי פריט משמש במיוחד עבור תדרים נמוכים אלה. ניתן לראות שברגע שהתדר עולה על 350 מגה-הרץ, לחומר "S" יש השפעה מוגבלת על רמת רעש ה-EMI המקורית, הלא מסוננת, אך הוא מפחית ספייק משמעותי ב-750 מגה-הרץ בכ-6 dB. אם החלק העיקרי של בעיית רעש ה-EMI גבוה מ-350 מגה-הרץ, עליך שקול את השימוש בחומרי פריט בתדירות גבוהה יותר שהעכבה המקסימלית שלהם גבוהה יותר בספקטרום.
כמובן שבדרך כלל ניתן להימנע מכל הצלצול (כפי שמוצג בעקומה התחתונה של איור 12) על ידי בדיקות ביצועים ו/או תוכנות סימולציה בפועל, אך יש לקוות שמאמר זה יאפשר לקוראים לעקוף טעויות נפוצות רבות ולהפחית את הצורך בחר את זמן חרוזי הפריט הנכון, וספק נקודת התחלה "משכילה" יותר כאשר יש צורך בחרוזי פריט כדי לסייע בפתרון בעיות EMI.
לבסוף, עדיף לאשר סדרה או סדרה של חרוזי פריט, לא רק מספר חלק בודד, לקבלת אפשרויות רבות יותר וגמישות עיצובית. יש לציין שספקים שונים משתמשים בחומרים שונים, ויש לבדוק את ביצועי התדר של כל ספק , במיוחד כאשר מתבצעות רכישות מרובות עבור אותו פרויקט. זה קצת קל לעשות זאת בפעם הראשונה, אבל ברגע שהחלקים מוכנסים למסד הנתונים של הרכיבים תחת מספר בקרה, אז ניתן להשתמש בהם בכל מקום. הדבר החשוב הוא שביצועי התדר של חלקים מספקים שונים דומים מאוד כדי למנוע את האפשרות של יישומים אחרים בעתיד הבעיה התרחשה. הדרך הטובה ביותר היא להשיג נתונים דומים מספקים שונים, ולפחות יש עקומת עכבה. זה גם יבטיח כי נעשה שימוש בחרוזי פריט נכונים כדי לפתור את בעיית ה-EMI שלך.
כריס בורקט עובד ב-TDK מאז 1995 וכיום הוא מהנדס יישומים בכיר, התומך במספר רב של רכיבים פסיביים. הוא היה מעורב בעיצוב מוצר, מכירות טכניות ושיווק. Burket כתב ופרסם מאמרים טכניים בפורומים רבים. Burket השיגה שלושה פטנטים בארה"ב על מתגים וקבלים אופטיים/מכניים.
In Compliance הוא המקור העיקרי לחדשות, מידע, חינוך והשראה עבור אנשי מקצוע בתחום הנדסת חשמל ואלקטרוניקה.
תעופה וחלל רכב תקשורת צרכנות אלקטרוניקה השכלה אנרגיה וכוח תעשיית מידע טכנולוגיה רפואית צבאית והגנה לאומית