Ferrite bead что это
Ферритовые бусинки
Ферритовые бусинки — не самая популярная штука, по крайней мере, в интернетовских схемах они встречаются довольно редко. А вот и зря: если посмотреть внутрь компьютера или какой-нибуть другой профессионально сделанной техники их можно заметить там в огромных количествах.
Давайте разберемся — что это такое, какие у них есть характеристики, где использовать и чем они отличаются от простых катушек.
Что это такое?
Ферритовые бусинки, как не странно, это просто провод пропущенный через феррит. Они выпускаются в разных вариантах: бывают выводные, в виде бусинки (отсюда и название), а бывает SMD исполнение, больше напоминающее SMD конденсатор, только черного цвета.
Для чего используются?
Бусинки обычно используются для подавления помех. Их стоит рассматривать как частотно зависимое сопротивление.
К примеру, на частоте 1 МГц сопротивление бусинки — 1 Ом, а на частоте 100 МГц — 50 Ом. Если такую бусинку поставить в делитель напряжения, в нижнем плече которого будет сопротивление в 50 Ом, то на 1МГц такой делитель выдаст 98% входной амплитуды, а на частоте 100 МГц — всего 50%.
Если вместо резистора использовать конденсатор (что обычно и делают), то подавление будет еще большим. В прочем, часто нижнего плеча делителя вообще не ставят — его роль играют паразитные элементы схемы (входная емкость микросхем, емкость дорожек платы, итп).
Чем бусинки отличаются от катушек?
Бусинки, несмотря на то, что их часто так называют — это не катушки индуктивности.
Дело в том, что бусинки изготавливаются из специальных ферритов с большими потерями на перемагничивание. Чем чаще феррит перемагничивается (больше частота), тем больше на нем теряется энергии. Эта энергия выделяется в виде тепла. Все что выделяет тепло является активным сопротивлением, а не катушкой индуктивности!
В даташитах часто приводят вот такие графики (по клику откроется даташит от Murata):
X — это реактивная часть импеданса, R — активная, Z — полный импеданс.
Как видно, после 30МГц активное сопротивление преобладает над реактивным и это очень круто, активное сопротивление снижает добротность паразитных колебательных контуров и не дает им «зазвенеть». В итоге, бусинки очень эффективно вычищают всю ту высокочастотную грязь, которая появляется в схемах с быстрыми переключениями.
Какие у них бывают параметры?
Почему-то принято нормировать бусинки по импедансу на частоте 100 МГц. К примеру, можно найти 100 Ом бусинки. Это будет значить что на частоте 100 МГц их импеданс — 100 Ом. Это, правда, не несет никакой информации о всех остальных частотах. Поэтому лучше взглянуть в даташит.
Вот, к примеру, такую характеристику показывает в даташитах TDK: 
Как видно, после 200 МГц у верхней бусинки паразитные элементы начинают доминировать, и импеданс сильно падает. Если мы хотим отфильтровать жужжание мобильных телефонов (900/1800 МГц), то такая бусинка практически бесполезна. Намного лучше будет работать вот эта:
Кроме того, через такую бусинку можно пропустить довольно высокочастотный (к примеру, 10 МГц) сигнал, что с прошлой сделать было невозможно.
У бусинок есть еще допустимый ток. Ну, тут все просто — нужно просто не превышать этот ток и все.
Как видно, бусинки нужно выбирать под конкретную задачу.
Типичные применения
Самое типичное применение — фильтр аналогового питания. Когда внутренние КМОП-каскады цифровых схем переключаются, они создают много шума, который без проблем распространяется по питанию. При этом, спектр этого шума может быть намного больше, чем тактовая частота цифровой части. Если рядом нужно разместить какой-то чувствительное аналоговое устройства, то бусинки спасают:
Другое типичное применение — подавление паразитного излучения длинных кабелей. Наверное всем было интересно — что делает вот эта блямба на кабеле: 
Так как бусинка надета на все провода сразу, она работает только для разницы «вытекающего» и возвращающегося обратно тока. Если «вытекает» больше тока чем возвращается (провод излучает), бусинка становится сопротивлением для этой разницы и не дает излучать в эфир того, чего там не ждут.
Чистое питание для каждой микросхемы, часть 4: выбор и использование ферритовых бусин
Используйте ферритовые бусины, чтобы улучшить качество питания на вашей печатной плате.
Проверка спецификаций
В предыдущей статье обсуждалось важность тщательного рассмотрения характеристик импеданса в зависимости от частоты при выборе ферритовой бусины: по возможности целевые шумовые частоты должны попадать в «резистивный диапазон», что означает диапазон частот, в которых активный импеданс доминирует над реактивным импедансом. Это фундаментальный аспект максимизации способности вашей бусины подавлять шум, но есть и другие характеристики, которые необходимо учитывать, а именно: сопротивление по постоянному току и номинальный ток.
В отличие от блокировочных конденсаторов, ферритовые бусины используются последовательно с линией питания, что означает, что любой постоянный ток, протекающий через бусину, создаст падение напряжения, пропорциональное сопротивлению по постоянному току.
Падение напряжения на ферритовой бусине
Примечание: для представления ферритовых бусин на схемах используется несколько различных условных графических обозначений. Показанное здесь не является «официальным» обозначением IEEE, но помогает нам оставаться в курсе функционального сходства между бусиной и катушкой индуктивности.
Сопротивление бусины по постоянному току (для типовых компонентов поверхностного монтажа оно намного меньше одного ома) редко бывает проблемой для маломощных микросхем. Но именно здесь вы можете столкнуться с проблемой: если вы не проверяете спецификацию сопротивления по постоянному току, или если у вас есть привычка ставить одну и ту же ферритовую бусину перед каждой микросхемой, вы можете не заметить, что какое-то непривычное мощное устройство может потреблять ток, достаточный, чтобы вызвать проблему. Представьте себе, например, что вы выбрали компонент с довольно высоким сопротивлением по постоянному току, скажем, 0,7 Ом, и что вы используете одну бусину для фильтрации питания на 1,1В, подключенного к нескольким питающим выводам высокопроизводительного сигнального процессора. Возможно, во время нормальной работы всё хорошо, но если процессор входит в период интенсивной вычислительной активности и потребляет через бусину 400 мА, то ваше питание 1,1В просто уменьшится до 0,82В. Это временное, зависящее от работы отклонение источника питания может привести к периодическим отказам, что, как известно, трудно диагностировать.
Номинальный ток не так прост, как кажется. Действительно, если ток установившегося состояния через бусину выше номинального тока, может произойти повреждение. Но есть два нюанса, о которых вам нужно знать. Во-первых, номинальный ток не является постоянным по температуре:
Зависимость номинального тока ферритовой бусины от температуры
Это график ухудшения характеристики компонента от Wurth, обсуждавшегося в предыдущей статье. Крутой спад, начинающийся с 85°C, должен совершенно ясно показать, что вам нужно очень тщательно выбирать ферритовые бусины, если ваша система будет подвергаться воздействию высоких температур. Во-вторых, постоянные токи значительно ниже указанного максимума могут ухудшить эффективность бусины, потому что ферритовый материал становится «насыщенным». Насыщенность феррита уменьшает пиковый импеданс бусины и смещает кривую импеданса в сторону более высоких частот, как показано на следующем рисунке от Murata:
Влияние рабочего тока на амплитудно-частотную характеристику ферритовой бусины
Чтобы уменьшить эффект насыщения ядра, убедитесь, что номинальный ток вашей бусины не менее чем на 50% (предпочтительнее на 100%) выше ожидаемого вами максимального тока.
Резонанс: уменьшен, но не устранен
В предыдущей статье мы обсудили преимущества ферритовых бусин, поскольку они рассеивают высокочастотную энергию и, следовательно, менее восприимчивы к резонансным проблемам. Однако ферритовые бусины преимущественно индуктивны в широком диапазоне частот, и их часто используют в сочетании со стоящими рядом конденсаторами, поэтому мы не можем просто забыть о резонансе. Напомним, что LC-цепь будет резонировать на следующей частоте:
Это говорит о том, что резонансная частота уменьшается по мере увеличения емкости. Следовательно, большее количество емкости вблизи ферритовой бусины увеличивает вероятность того, что бусина будет преимущественно индуктивной на этой резонансной частоте.
Обычно вам не нужно много волноваться об этой проблеме резонанса – большинство блокировочных конденсаторов малы (а именно 0,1 мкФ), паразитные сопротивления помогают ослабить любой звон, который может появиться, и часто схема не генерирует значительной энергии шума на более низких частотах, которые попадают в полосу реактивного доминирования в ферритовой бусине. Тем не менее, если вы используете ферритовые бусины в сочетании с относительно большими (например, выше 10 мкФ) блокировочными конденсаторами, вы можете захотеть быстро провести моделирование и проверить некоторые сигналы, чтобы посмотреть, есть ли какой-либо звон. Если что-то обнаружится, попробуйте найти ферритовую бусину, которая проявляет более резистивный импеданс в проблемной полосе частот. В качестве альтернативы, если падение напряжения не вызывает проблем, вы можете уменьшить добротность резонансного контура и тем самым подавить звон, вставив последовательно небольшой резистор вблизи питающего вывода микросхемы:
Уменьшение добротности резонансного контура в цепи питания
«FBC» фильтр
Теперь мы готовы обсудить три общих способа, с помощью которых ваши схемы могут извлечь выгоду из стратегически выбранной ферритовой бусины. Первый способ уже представлен в двух приведенных выше схемах: ферритовая бусина может быть объединена с блокировочным конденсатором, чтобы сформировать эквивалент стандартного LC фильтра нижних частот. Этот «FBC» фильтр теоретически приближается к двухполюсному отклику LC фильтра в индуктивной полосе частот ферритовой бусины, а затем переходит в однополюсный отклик RC фильтра, когда активный импеданс начинает доминировать над реактивным импедансом. В этом есть определенная элегантность: спад АЧХ круче на более низких частотах, где резонанс менее опасен, а высокочастотный сигнал подавляется резистивными свойствами бусины.
На этом этапе мы должны указать хороший способ саботировать вашу микросхему, а именно, используя ферритовую бусину без конденсатора между питающим выводом и землей:
Неправильное использование ферритовых бусин
Как обсуждалось в первой статье из этой серии, цифровые микросхемы (и, в меньшей степени, аналоговые микросхемы) должны иметь возможность потреблять быстрые всплески тока с шины питания. Блокировочный конденсатор с низкими ESR и ESL, расположенный рядом с питающим выводом, обеспечивает этот ток. Теперь напомним, что катушка индуктивности (и, в свою очередь, ферритовая бусина) выступают против изменений тока. Это означает, что ферритовая бусина, используемая в двух приведенных выше неправильных конфигурациях, блокирует переходной ток, необходимый для микросхемы. Следовательно, вам нужен конденсатор, расположенный «снизу по течению» от ферритовой бусины, так, чтобы ток мог поступать непосредственно из конденсатора (т.е. без протекания через бусину).
FBC фильтр нижних частот потенциально полезен для любой микросхемы, которая особенно чувствительна к высокочастотному шуму на линии питания. Но обратите внимание на что-то еще: ферритовая бусина будет также формировать FBC фильтр с любой емкостью на другой стороне бусины, включая блокировочные конденсаторы, подключенные к другим микросхемам на той же шине питания. Таким образом, ферритовые бусины помогают подавлять не только шум, поступающий на микросхему, но и шум, выходящий из микросхемы. Это означает, что ферритовые бусины особенно ценны для развязки на печатных платах с несколькими цифровыми компонентами, поскольку они имеют тенденцию изолировать каждую микросхему от шума, создаваемого всеми другими микросхемами.
Питание схем смешанных сигналов
Обычно предпочтительнее подавать аналоговое и цифровое питание на микросхему смешанных сигналов по отдельности, создавая отдельные напряжения питания на двух линейных стабилизаторах. Но если этот подход неосуществим, возможно, из-за ограниченности места на плате, для обеспечения некоторой шумоизоляции вы можете использовать ферритовую бусину, а именно:
Использование ферритовых бусин при питании микросхем смешанных сигналов
Подавление шума источника
Еще один момент, когда стоит рассмотреть ферритовые бусины, это когда вы предпочтете использовать один фильтр в источнике питания вместо отдельных фильтров, прикрепленных к нескольким микросхемам. Это эффективный подход для схемы, в которой шумный DC/DC преобразователь обеспечивает питание для нескольких аналоговых компонентов, которые чувствительны к шуму, но обычно не создают больших шумов. Стандартной конфигурацией для такого фильтра является ферритовая бусина с конденсаторами с обеих сторон; в идеале техническое описание преобразователя постоянного напряжения предоставит руководство со значениями номиналов компонентов и другими подробностями. Например, Linear Technology рекомендует следующее для LTC1551, который является инвертирующим зарядным стабилизатором:
Использование ферритовых бусин для подавления шума источника питания
В техническом описании утверждается, что с помощью этого простого фильтра выходной шум может быть уменьшен до 1 мВ(пик-пик).
Несмотря на то, что ферритовые бусины будут в основном индуктивными на относительно низких частотах, используемыми зарядными и импульсными регуляторами, резистивный импеданс поможет уменьшить шум, связанный с высокочастотными гармониками.
Резюме
Ферритовые бусины обеспечивают дополнительную фильтрацию и изолирование, которые могут быть полезны в шумных цифровых средах, или когда необходимо защитить чувствительные к шуму аналоговые компоненты. По возможности выбирайте бусину, которая будет в основном резистивной на частотах доминирующего шума, и не забудьте проверить сопротивление по постоянному току и номинальный ток бусины, чтобы избежать проблем, связанных с падением напряжения и насыщением ядра.
Выбор и использование ферритовых бусин для подавления звона в импульсных преобразователях
Введение
«Звон» — распространенный термин, обозначающий нежелательные колебания, которые происходят при коммутации ключа и наличии паразитных индуктивностей и емкостей. Паразитная емкость ключа, высвобождающая энергию при его переключении, образует звон с паразитными индуктивностями дискретных силовых дросселей, проводников печатной платы, выводов компонентов, разъемов и т. д. Поскольку у печатных плат всегда имеются паразитные элементы, все импульсные преобразователи генерируют, по крайней мере, незначительный звон. Частоты этих электромагнитных помех (ЭМП), как правило, находятся в диапазоне 50–200 МГц. На этих частотах проводники печатных плат, а также входные и выходные выводы работают как антенны, приводя к появлению кондуктивных помех и излучаемого шума.
Большинство импульсных преобразователей работает на частотах до 5 МГц. Поскольку мощность высших гармонических составляющих, возникающих при коммутации, как правило, очень мала на частотах до 50 МГц и выше, на осциллограмме излучаемых ЭМП эти гармоники маскируются основной частотой и могут остаться незамеченными. Кроме того, если пульсации основной частоты относительно просто подавляются с помощью LC-фильтров, то с гармониками высших порядков дело обстоит иначе. На частотах 50–200 МГц многие дроссели фильтра ведут себя не как индуктивности, а как емкости, и практически перестают ослаблять сигналы. Схожим образом ведут себя и конденсаторы фильтра, импеданс которых в диапазоне 50–200 МГц приобретает индуктивный характер. В таких случаях более эффективным способом фильтрации является использование ферритовых бусин, поскольку у них очень малое сопротивление на низких частотах (как правило, меньше 10 МГц). Однако у этих компонентов очень большие резистивные потери в диапазоне частот 10 МГц…1 ГГц, что зависит от их типа и конструкции. Как правило, ферриты применяются последовательно входным и выходным соединениям импульсных преобразователей, а также последовательно силовым ключам, как видно из рис. 1.
Рис. 1. Типовая схема синхронных понижающих преобразователей с использованием ферритовых бусин
Поскольку главным недостатком размещения ферритовых бусин на рис. 1 является прохождение через них больших токов, номинальные сопротивления этих устройств по постоянному току должны соответствовать требованиям к мощности рассеивания. Кроме того, необходимо также учитывать рассеиваемую мощность устройствами при преобразовании высокочастотного звона в тепло. Величину рассеиваемой мощности высокочастотных токов трудно рассчитать, т. к. амплитуда сигналов почти полностью зависит от паразитных элементов. На практике ферритовые бусины выбираются так, чтобы их номинальный ток в два раза превышал фактическое максимальное значение тока через эти элементы. При небольшой мощности применяются недорогие устройства для поверхностного монтажа, но при высоких значениях мощности необходимо параллельно устанавливать большие ферриты, что приводит к удорожанию схемы и уменьшению свободного места на плате.
В статье рассматриваются ферритовые бусины типоразмеров 0603 и 0805, которые позволяют уменьшить скорость нарастания фронта в переходных процессах при коммутации MOSFET верхнего плеча в синхронном понижающем преобразователе, что, в свою очередь, позволяет уменьшить амплитуду и продолжительность звона. В частности, уменьшение скорости нарастания фронта импульсов обеспечивает превосходные результаты; при этом лишь незначительно возрастают потери на переключение. Эта задача решается путем тщательного выбора и настройки сопротивления, установленного в цепь затвора MOSFET или вывода с положительным напряжением питания для затвора в управляющей цепи. Однако ферритовая бусина того же размера, что и резистор, так же или даже лучше справляется с поставленной задачей. Выбор бусины осуществляется с помощью ее технического описания, что намного сокращает время испытаний.
Установка бусины последовательно бутстрепной схеме
На рис. 2 показаны два возможных способа реализации элемента, ограничивающего скорость нарастания фронта импульсов: в цепь затвора MOSFET верхнего плеча или последовательно бутстрепной цепи. Второй способ предпочтительнее по трем основным причинам. Во‑первых, при его использовании ограничивается только скорость восходящего фронта, благодаря чему экономится расходуемая мощность, т. к. в каждом цикле замедляется только один переходный процесс (при его замедлении, как известно, увеличиваются потери на переключение). Во‑вторых, замедление скорости нарастания восходящего фронта управляющего MOSFET в синхронном понижающем преобразователе может стать причиной возникновения нежелательного сквозного тока между шинами питания, когда оба MOSFET одномоментно находятся во включенном состоянии. В‑третьих, если резистор затвора можно задействовать, только если MOSFET не встроен в преобразователь, то бутстрепный вывод доступен при использовании большинства понижающих регуляторов с собственными MOSFET, что повышает применимость этого метода для управляющих микросхем многих других типов.
Рис. 2. Резисторы на затворе уменьшают время нарастания и спада импульсов, тогда как резисторы RBOOT в бутстрепной цепи замедляют лишь нарастающий фронт
Выбор ферритовой бусины
Для рассматриваемого приложения предлагается демо-плата DC501A с синхронным понижающим контроллером LTC3703 Linear Technology. Упрощенная схема его использования показана на рис. 3а, а на рис. 3б — полная схема.
Рис. 3. а) В упрощенной схеме, используемой в демо-плате DC501, имеется элемент R2 для ограничения скорости нарастания фронта импульсов; б) полная схема
Измерение частоты звона
Рассмотрим схему преобразователя, в которой отсутствуют элементы, ограничивающие скорость нарастания фронта. Как видно из рисунка 3а, типовое значение входного напряжения этого преобразователя составляет 48 В, выходное — 12 В, а максимальный выходной ток — 6 А. Для захвата восходящего фронта сигнала коммутационного узла следует выбрать полную полосу пропускания осциллографа. Воспользуемся пробником с пружинными наконечниками, который поставляется вместе с вольтметровыми щупами для осциллографов, чтобы минимизировать поступление излучаемых помех в контуре, образованном наконечником и гибким заземляющим проводом. Для испытаний было выбрано приспособление с секцией из трех выводов, находящихся на расстоянии 2,54 мм друг от друга, с центральным усеченным выводом (рис. 4). Вместо отсутствующего или утерянного пружинного наконечника можно с успехом задействовать кусок неизолированного провода длиной 0,5–0,75 мм, обвитого вокруг корпуса пробника.
Рис. 4. Корректное измерение напряжения с малым уровнем шума. Желтым кружком обозначен вывод с входным напряжением, розовым — вывод с выходным напряжением, бирюзовым — коммутационный узел
На рис. 5 масштаб отображения сигнала выбран так, чтобы можно было легко измерить частоту звона. В данном случае она равна 150 МГц.
Рис. 5. Результаты измерения схемы без элементов управления скоростью нарастающего фронта показали, что период звона равен 6,64 нс, что соответствует частоте 150 МГц
Расчет или измерение среднего бутстрепного тока
Средний бутстрепный ток силового MOSFET верхнего плеча рассчитывается следующим образом:
В рассматриваемом примере преобразователь работает на частоте 260 кГц, а величина максимального заряда на затворе равна 41 нКл. Исходя из того, что длительность переднего фронта импульса при коммутации составляет 1% периода сигнала, для образования максимального заряда затвора 41 нКл средний ток во включенном состоянии MOSFET равен примерно 5,3 мА:
В сигнал бутстрепного тока также входят импульсные помехи, возникающие при переключении тока MOSFET величиной 1 А или больше. Поскольку их продолжительность не превышает 100 нс, а вклад в разогревание феррита минимальный, ими можно пренебречь.
Рис. 6. Звон схемы демо-платы DC501A в отсутствие схемы по управлению скоростью нарастания сигнала при: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; IOUT = 6 A. Кан. 1 = VIN связан. по перем. току, кан. 2 — коммут. узел, кан. 3 = VOUT AC
Выбор феррита с максимальным сопротивлением на частоте звона
Ферритовые бусины для поверхностного монтажа серии WE-CBF от компании Würth Elektronik выпускаются с типоразмерами 0402–1812, а благодаря серийному производству у серии 0603 очень привлекательная цена. (Заметим, что в серии WE-TMSB имеются миниатюрные ферритовые бусины.) Несмотря на свои малые размеры, даже компоненты серии 0603 с максимальным сопротивлением при 150 МГц могут работать со средним током 50 мА и тем более с управляющим током 5 мА, как в рассматриваемом примере. На рис. 6–9 сравнивается работа исходной схемы без элемента управления скоростью нарастания фронта со стандартным резистором 16,2 Ом, с ферритовой бусиной 74279265 (типоразмер: 0603; ном. сопротивление: 600 Ом при 150 МГц), а затем с ферритовой бусиной 742792693 (типоразмер: 0603; ном. сопротивление: 2200 Ом при 100 МГц; на 150 МГц сопротивление равно примерно 1500 Ом).
Рис. 7. Звон схемы демо-платы DC501A при использовании толстопленочного резистора R2 величиной 16,2 Ом: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; IOUT = 6 A. Кан. 1 = VIN связан. по перем. току; кан. 2 — коммут. узел; кан. 3 = VOUT AC
Рис. 8. Звон схемы демо-платы DC501A при использовании 600-Ом феррита 74279265 типоразмера 0603: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; IOUT = 6 A. Кан. 1 = VIN связан. по перем. току; кан. 2 — коммут. узел; кан. 3 = VOUT AC
Рис. 9. Звон схемы демо-платы DC501A при использовании 2200-Ом феррита 74279263 типоразмера 0603: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; IOUT = 6 A. Кан. 1 = VIN связан. по перем. току; кан. 2 — коммут. узел; кан. 3 = VOUT AC
Это устройство с максимальным сопротивлением на частоте звона позволяет наилучшим образом уменьшить не только амплитуду, но и продолжительность нежелательных колебаний (рис. 10), а его выбор не представляет особого труда и осуществляется с помощью соответствующих технических описаний.
Рис. 10. Сравнение напряжений коммутационного узла
На рис. 11 показаны типовые частотные характеристики реактивного сопротивления, активного сопротивления и импеданса ферритовых бусин 74279265 (600 Ом) и 742792693 (2200 Ом). На всякий случай напомним, что на количество тепла, образующегося за счет преобразования высокочастотного сигнала, влияет активное (омическое) сопротивление.
Рис. 11. Типовые частотные характеристики реактивного и активного сопротивлений, а также импеданса ферритовых бусин: а) 74279265 и б) 742792693
Потери мощности и ее рассеивание
При управлении крутизной сигнала достигается некий компромисс между уменьшением ЭМП и растущими потерями. Замедление скорости нарастания сигнала при переключении MOSFET может привести к перегреву этого ключа, снижению общей эффективности до неприемлемого уровня. В таблице 1 представлены значения входного тока и КПД рассматриваемой схемы без элемента управления крутизной сигнала, с подобранной величиной R2 = 16,2 Ом и с двумя ферритовыми бусинами.
Несмотря на то, что для повышения электромагнитной совместимости потребовалось немного уменьшить КПД, применение феррита с номинальным сопротивлением 2200 Ом имеет небольшое преимущество по эффективности ограничения скорости нарастания и уменьшения звона по сравнению с использованием резистора.
Рис. 12. Осциллограмма излучаемых ЭМП демо-платы DC501A без элемента управления крутизной сигнала: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; нагрузка = 2 Ом
Анализ излучаемых помех
В этом разделе рассматривается соответствие излучаемых электромагнитных помех демо-платы DC501A стандарту EN55022 по ЭМС для ИТ-оборудования. На рис. 12–15 представлены частотные развертки излучаемых ЭМП демо-платы DC501A для рассматриваемых четырех случаев: без ограничивающего элемента, с ограничивающим элементом R2, а также с использованием двух ферритовых бусин с разными сопротивлениями. На рис. 16 сравниваются все указанные развертки, а в таблице 2 приводятся уровни излучаемых ЭМП в диапазоне 150 МГц в зависимости от используемых ограничивающих элементов.
Рис. 13. Частотная развертка излучаемых ЭМП демо-платы DC501A с R2 = 16,2 Ом: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; нагрузка = 2 Ом
Рис. 14. Частотная развертка излучаемых ЭМП демо-платы DC501A с R2 = 600 Ом и ферритом 0603: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; нагрузка = 2 Ом
Рис. 15. Частотная развертка излучаемых ЭМП демо-платы DC501A с R2 = 2200 Ом и ферритом 0603: VIN = 48 В; VOUT = 12 В; нагрузка = 2 Ом
Рис. 16. Сравнение разверток излучаемых ЭМП при использовании платы DC501A
В своей совокупности, развертки излучаемых ЭМП подтверждают данные, взятые из частотной области: правильно подобранный резистор, установленный последовательно положительному выводу питания бутстрепной схемы, уменьшает квазипиковые и усредненные уровни излучаемых помех примерно на 10 дБмкВ, а ферритовая бусина с максимальным сопротивлением на основной частоте шума работает не хуже, а часто и лучше этого резистора.
Управление включением и выключением в драйверах затвора в нижнем плече
Управление скоростью нарастания фронтов импульсов осуществляется и с помощью выводов затвора других импульсных преобразователей. При этом необходимо учитывать положение ограничивающего элемента относительно затворов MOSFET и IGBT. К другим топологиям с ключами в верхнем плече относятся однотактный прямоходовой полумостовой и мостовой преобразователи. При их использовании необходимо устанавливать элемент управления затвором последовательно выводу положительного питания драйвера затвора с плавающей землей. Однако в каждой из этих топологий применяется также, по крайней мере, один ключ нижнего плеча, а в повышающих, обратноходовых, прямоходовых и пушпульных преобразователях используются только ключи нижнего плеча. Как правило, нарастающий фронт сигналов требует управления, а продолжительность спадающего фронта должна быть как можно меньше. Относительно малое количество управляющих ИС оснащено специализированным выводом для управления положительным выводом источника питания их драйверов ключей нижнего уровня, тогда как в большинстве случаев наилучшим решением является установка небольшого диода Шоттки параллельно элементу управления крутизной импульсов. При этом оба подключаются к затвору, как видно из рис. 17.
Рис. 17. Антипараллельный диод Шоттки обеспечивает управление включением, не оказывая влияния на выключение в цепях управления затвором ключей в нижнем плече
Выводы
Ферритовые бусины, установленные последовательно бутстрепному выводу понижающего преобразователя, представляют собой эффективные компоненты по ограничению звона. Эти бусины ослабляют высокочастотный шум, не занимая большого места на печатных платах и не ухудшая эффективность решения. Их преимущества над резисторами заключаются в простоте выбора и малом времени тестирования. Несколько более высокая стоимость феррита 0603 по сравнению с толстопленочным резистором того же типоразмера компенсируется использованием более компактных, легких и недорогих фильтров на входах и выходах импульсных преобразователей. Снабберным схемам, установленным последовательно или параллельно коммутационным элементам, не приходится рассеивать достаточно большую мощность, что позволяет повысить эффективность, уменьшить рабочую температуру, стоимость решения и место, занимаемое на печатной плате.