すべてのフェライト ビーズは同じように作られるわけではありません

一般的なシナリオ: 設計エンジニアが EMC 問題が発生している回路にフェライト ビーズを挿入したところ、実際にはビーズが不要なノイズを悪化させていることが判明しました。 どうすればいいの？ フェライト ビーズはノイズ エネルギーを除去し、問題を悪化させないはずではありませんか?

この質問に対する答えは非常に単純ですが、EMI 問題の解決に多くの時間を費やしている人以外にはあまり理解されていないかもしれません。 簡単に言えば、フェライト ビーズはフェライト ビーズではない、フェライト ビーズではない、などです。ほとんどのフェライト ビーズ メーカーは、部品番号、特定の周波数 (通常 100 MHz) でのインピーダンス、DC 抵抗 (DCR) をリストした表を提供しています。 、最大電流定格、およびいくつかの寸法情報 (表 1 を参照)。 どれもほぼ標準的なものです。 データ表に示されていないのは、材質情報と周波数に対するそれぞれの性能特性です。

表 1: 代表的なフェライト ビーズ データ表

フェライト ビーズは、熱の形で回路からノイズ エネルギーを除去する受動デバイスです。 ビーズは、広い周波数範囲にわたってインピーダンスを生成し、その周波数範囲にわたる不要なノイズ エネルギーのすべてまたは一部を除去します。 DC 電圧アプリケーション (IC の Vcc ラインなど) では、必要な信号および/または電圧または電流源 (I2 x DCR 損失) 内で大きな電力損失が発生しないように、低い DC 抵抗値を持つことが望ましいです。 ただし、ある定義された周波数範囲にわたって高いインピーダンスを持つことが望ましいです。 したがって、インピーダンスは、使用される材料 (透磁率)、フェライト ビーズのサイズ、巻線の数、および巻線の構造に関係します。 明らかに、特定のケース サイズ内で使用される特定の材料の巻線が多いほど、インピーダンスは高くなりますが、内側コイルの物理的な長さが長くなるにつれて、より高い DC 抵抗も生成されます。 部品の定格電流は DC 抵抗に反比例します。

EMI アプリケーションにフェライト ビーズを使用する基本的な側面の 1 つは、コンポーネントが抵抗段階にある必要があることです。 これはどういう意味ですか？ 簡単に言うと、「R」(AC 抵抗) が「XL」(誘導リアクタンス) より大きくなければならないことを意味します。 XL > R (低周波) の周波数では、この部品は抵抗よりもインダクタとして動作します。 R > XL の周波数では、この部品はフェライト ビーズの望ましい特性である抵抗器として動作します。 「R」が「XL」より大きくなる周波数を「クロスオーバー」周波数といいます。 これは図 1 に示されており、クロスオーバー周波数 (この例では 30 MHz) が赤い矢印で示されています。

図 1: クロスオーバー周波数

これを調べるもう 1 つの方法は、誘導段階と抵抗段階で部品が実際に何をしているかという観点から見ることです。 インダクタとのインピーダンス不整合がある他のアプリケーションと同様、導入された信号の一部が反射してソースに戻ります。 これにより、フェライト ビーズの反対側にある敏感なデバイスをある程度保護できますが、回路に「L」が導入され、共振や発振 (リンギング) が発生する可能性があります。 したがって、ビーズが依然として誘導性である場合、インダクタンスとインピーダンスの値に応じて、ノイズ エネルギーの一部が反射され、一部が通過します。

フェライト ビーズが抵抗段階にあるとき、コンポーネントは前述したように抵抗器のように動作するため、ノイズ エネルギーを妨げ、回路からこのエネルギーを熱の形で吸収します。 同じプロセス、製造ラインと技術、機械、同じ構成材料の一部を使用して、一部のインダクタと同じ方法で構築されていますが、フェライト ビーズは損失の多いフェライト材料を使用し、インダクタは低損失のフェライト材料を使用します。 これは図 2 の曲線に示されています。

図 2: 反射と吸収

この図は、損失性フェライト ビーズ材料の挙動を反映するために使用される [μ''] を示しています。

インピーダンスが 100 MHz で与えられるという事実も、選択の問題の一部です。 多くの EMI ケースでは、この周波数でのインピーダンスは無関係であり、誤解を招きます。 この「スポット」値は、インピーダンスがこの周波数で増加しているか、減少しているか、フラットであるか、インピーダンスのピークに達しているか、材料がまだ誘導段階にあるか、抵抗段階に変化したかを示しません。 実際、多くのフェライト ビーズ サプライヤーは、同じフェライト ビーズ、または少なくともデータ表に示されているように、複数の材料を使用しています。 図 3 を参照してください。この図の 5 つの曲線はすべて、異なる 120 オームのフェライト ビーズに関するものです。

図 3: 120 オーム (100 MHz 時) フェライト ビーズ

そこでユーザーが取得しなければならないのは、フェライトビーズの周波数特性を示すインピーダンス曲線です。 典型的なインピーダンス曲線の例を図 4 に示します。

図 4: /Z/、R、XL を使用した一般的なインピーダンス曲線

図 4 は、非常に重要な事実を示しています。 この部品は 100 MHz で 50 オームのフェライト ビーズとして仕様化されていますが、クロスオーバー周波数はおよそ 500 MHz で、1 ～ 2.5 GHz の間で 300 オーム以上を達成します。 繰り返しますが、データ テーブルを見るだけではユーザーはこれを認識できず、非常に誤解を招く可能性があります。

このように、材料によって性能は異なります。 フェライト ビーズの製造に使用されるフェライトにはさまざまなバリエーションがあります。 材料によっては、高損失、広帯域、高周波、低挿入損失などがあります。 アプリケーション周波数とインピーダンスによる一般的なグループ分けを図 5 に示します。

図 5: 周波数に基づく材料特性1

もう 1 つの一般的な問題は、基板設計者が承認されたコンポーネント データベースの内容によってフェライト ビーズの選択が制限される場合があることです。 会社が他の製品に使用され、満足できると判断された承認済みのフェライト ビーズを少数しか持っていない場合、多くの場合、他の材料や部品番号を評価して承認する必要はないと考えられます。 これにより、最近では、上で述べた元々の EMI ノイズ問題の悪化効果が引き起こされることが何度もありました。 以前に機能したものは、次のプロジェクトでは機能する場合もあれば、機能しない場合もあります。 特に、目的の信号の周波数が変更された場合、またはクロック デバイスなどの潜在的に放射するコンポーネントの周波数が変更された場合は、前回のプロジェクトの EMI ソリューションを単純に引き継ぐことはできません。

図 6 の 2 つのインピーダンス曲線を見ると、2 つの同様の指定された部品の材料効果を比較できます。

図 6: B 材質 (上) と D 材質 (下) のインピーダンス曲線

どちらの部品も、100 MHz でのインピーダンスは 120 オームです。 左側の部品では、「B」材料を使用しており、最大インピーダンスは約 150 オームで、400 MHz で達成されます。 右側の部品では、「D」材料を使用しており、最大インピーダンスは約 700 MHz で達成される 700 オームです。 しかし、最大の違いはクロスオーバー周波数にあります。 超高損失「B」材料は 6 MHz で遷移 (R > XL) しますが、非常に高い周波数「D」材料は約 400 MHz まで誘導性を維持します。 どの部分を使用するのが適切ですか? それは個々のアプリケーションによって異なります。

図 7 は、EMI を抑制するために間違ったフェライト ビーズを選択した場合に発生する、あまりにも一般的な問題を示しています。 フィルタされていない信号は、3.5V、1 uS パルスで 474.5 mV のアンダーシュートを示しています。

図 7: 高損失および超高損失材料の測定された性能

高損失タイプの材料を使用した結果 (中央のプロット) では、部品のクロスオーバー周波数が高いため、測定されたアンダーシュートが増加しています。 信号のアンダーシュートは 474.5 mV から 749.8 mV に増加しました。 超高損失材料は、クロスオーバー周波数が低く、十分な性能を発揮し、このアプリケーションで使用するのに適した材料となります (右のプロット)。 この部品を使用したアンダーシュートは 156.3 mV に減少します。

ビードを流れる DC 電流が増加すると、コア材料が飽和し始めます。 インダクタの場合、これは飽和電流と呼ばれ、インダクタンス値の何パーセントかの減少として指定されます。 フェライト ビーズの場合、部品が抵抗段階にある間、飽和の影響が周波数全体にわたるインピーダンス値の低下に反映されます。 このインピーダンスの低下により、フェライト ビーズの有効性が低下し、EMI (AC) ノイズを除去する能力が低下します。 図 8 は、フェライト ビーズの典型的な DC バイアス曲線のセットを示しています。

図 8: DC 電流によるインピーダンスへの影響

この図では、フェライト ビーズの定格は 100 MHz で 100 オームです。 これは、部品に DC 電流が流れていないときに測定される典型的なインピーダンスです。 しかし、見てわかるように、DC 電流が (IC の VCC 入力などに) 印加されると、実効インピーダンスは急激に低下し、上の曲線では、わずか 1.0 A の電流で 100 オームから 20 オームに低下します。 100MHz。 それほど重要ではないかもしれませんが、設計エンジニアは知っておくべきことです。 繰り返しますが、サプライヤーのデータシートから部品の電気特性データのみを使用する場合、ユーザーはこの DC バイアス現象についてまったく知りません。

高周波 RF インダクタと同様、フェライト ビーズ内の内側コイルの巻き方向は、ビーズの周波数動作に大きな影響を与えます。 巻き方向は、インピーダンス対周波数レベルに影響を与えるだけでなく、周波数応答も変化します。 図 9 には、同じケース サイズで同じ材料で作られていますが、2 つの異なる巻線構成を持つ 2 つの 1000 オーム フェライト ビーズが示されています。

図 9: 左側が「ギガ」ビーズ、右側が標準ビーズ2

垂直面に巻かれて水平方向に積層されたコイルを備えた左側の部品は、水平面に巻かれ垂直方向に積層された右側の部品よりも高いインピーダンスと高い周波数応答をもたらします。 これは、部分的には、終端と内部コイルの間の寄生容量の減少に伴う容量性リアクタンス (XC) の低下によるものです。 XC が低いと、より高い自己共振周波数が生成され、フェライト ビーズのインピーダンスがより高い自己共振周波数まで増加し続けることができるため、標準的な構成のフェライト ビーズよりも高いインピーダンス値を取得できます。 上記 2 つの 1000 オーム フェライト ビーズの曲線を図 10 に示します。

図 10: 巻線構成による周波数応答の比較

正しいフェライト ビーズの選択と誤ったフェライト ビーズの選択の影響をさらに示すために、簡単なテスト回路とテスト ボードを使用して、上で説明した内容の多くを実証しました。 図 11 では、3 つのフェライト ビーズの位置と、送信出力 (TX) から 0 mm、50 mm、および 100 mm の距離にあるテスト ポイントを「A」、「B」、および「C」とラベル付けしたテスト ボードを示しています。 ) デバイスにそれぞれ対応します。

図 11: テストセットアップとテストボード

このテストの信号条件は次のとおりです。

信号の完全性は、フェライト ビーズの出力側の 3 か所のそれぞれで測定され、異なる材料で作られた 2 つのフェライト ビーズで再現されました。 最初の材料である低周波の損失の多い「S」材料は、ポイント「A」、「B」、および「C」でテストされました。 次に、より高い周波数の「D」材料が使用されました。 これら 2 つのフェライト ビーズを使用したポイントツーポイントの結果を図 12 に示します。

図 12: 回路内性能テストの結果

フィルタリングされていない「スルー」信号が中央の行に示されており、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジにそれぞれオーバーシュートとアンダーシュートが見られます。 見てわかるように、上記のテスト条件に適切な材料を使用すると、低周波数の損失の多い材料により、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジで良好なオーバーシュートおよびアンダーシュート信号の改善が見られました。 これらの結果を図 12 の上段に示します。 高周波素材を使用した結果、リンギングが発生し、それぞれのレベルが拡大し、不安定な期間が長くなりました。 これらのテスト結果は下の行に示されています。

図 13 に示す水平走査で推奨される上部 (図 12) の周波数にわたる EMI の改善を見ると、この部分はすべての周波数において EMI スパイクを大幅に低減し、全体のノイズ レベルを低減していることがわかります。 30 ～ 約 350 MHz の範囲で、赤線で強調表示されている EMI 制限を十分に下回る許容レベルまで。これはクラス B デバイスの一般規制基準 (米国の FCC パート 15) です。 フェライト ビーズに使用されている「S」素材は、特にこれらの低周波用です。 ご覧のとおり、「S」材料は、周波数が 350 MHz を超えると、フィルタされていない元の EMI ノイズ レベルに限定的な影響を与えますが、750 MHz での 1 つの大きなスパイクを約 6 dB 低減します。 EMI ノイズの問題の主要な部分が 350 MHz 以上である場合は、周波数スペクトル内で最大インピーダンスがより高い周波数のフェライト材料の使用を検討する必要があります。

図 13: 放射 EMI ノイズ (水平方向) の抑制

もちろん、図 12 の下の曲線に示されているリンギングはすべて、通常、実際のパフォーマンス テストやシミュレーション ソフトウェアによって回避されますが、この記事を読むことで、多くの一般的なエラーを回避できることが期待されます。正しいフェライト ビーズを選択するのに必要な時間が短縮され、EMI 問題の解決にフェライト ビーズが必要な場合に、より「知識のある」出発点が可能になります。

将来のフェライト ビーズのニーズでの誤用を避けるために、常に次のことを行うことをお勧めします。

最後に、より多くのオプションと設計の柔軟性を得るために、個々の部品番号だけでなく、フェライト ビーズのファミリーまたはシリーズを承認することが望ましいと言えます。 サプライヤーが異なれば使用する材料も異なることに注意する必要があり、特に同じプロジェクトで複数の調達を行う場合には、それぞれの周波数性能を確認することが必須です。 これは、初めて行う場合はある程度簡単ですが、部品が 1 つの管理番号で部品データベースに入力されれば、その後はどこでも使用できるようになります。異なるサプライヤーの部品の周波数性能がよく似ていることが重要です。他のアプリケーションで将来発生する可能性のある問題を排除するために、相互に相互作用します。 これを行う最善の方法は、さまざまなサプライヤーから同様のデータを取得し、少なくともインピーダンス曲線を取得することです。 これにより、EMI 問題を解決するために適切なフェライト ビーズが使用されていることも確認できます。

すべてのフェライト ビーズが同じように作られているわけではないことを覚えておいてください。

ビードクリス・バーケット回路設計エミエンジニアリングフェライト材料ノイズ

Chris Burket は 1995 年から TDK に入社し、現在はシニア アプリケーション エンジニアとして、膨大な数の受動コンポーネントをサポートしています。 彼は製品設計、技術営業、マーケティングに携わってきました。 Burket 氏は、数多くのフォーラムで技術論文を執筆し、発表してきました。 バーケット氏は、光学/機械スイッチとコンデンサーの分野で 3 つの米国特許を取得していました。