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よくある状況: 設計エンジニアは、EMC 問題が発生している回路にフェライト ビーズを挿入しましたが、そのビーズが実際に不要なノイズを悪化させていることがわかりました。これはどうしてでしょうか?フェライト ビーズは、問題を悪化させることなくノイズ エネルギーを除去すべきではないでしょうか?
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可能性があります。簡単に言うと、フェライト ビーズはフェライト ビーズではなく、フェライト ビーズでもありません。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（通常は 100 MHz）でのインピーダンス、DC 抵抗（DCR）、最大定格電流、および一部の寸法情報をリストした表（表 1 を参照）。すべてほぼ標準です。データに示されていないものシートは材料情報と対応する周波数性能特性です。
フェライト ビーズは、熱の形で回路からノイズ エネルギーを除去できる受動デバイスです。磁気ビーズは広い周波数範囲でインピーダンスを生成し、それによってこの周波数範囲の不要なノイズ 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の場合 ( IC の Vcc ラインなど)、必要な信号および/または電圧または電流源での大きな電力損失 (I2 x DCR 損失) を避けるために、低い DC 抵抗値を持つことが望ましいです。特定の定義された周波数範囲では、高インピーダンスとなります。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、および巻線構造に関連します。明らかに、特定のハウジング サイズと使用される特定の材料では、 、巻線が多いほどインピーダンスは高くなりますが、内部コイルの物理的な長さが長くなると、より高い DC 抵抗も生成されます。このコンポーネントの定格電流は DC 抵抗に反比例します。
EMI アプリケーションでフェライト 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相にある必要があるということです。これは何を意味しますか? 簡単に言うと、これは、「R」 (AC 抵抗) が「XL」 (誘導性) 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、部品は抵抗というよりもインダクタに似ています。R> XL の周波数では、部品は抵抗として動作します。これはフェライト ビーズに必要な特性です。 「R」が「XL」より大きくなる周波数は「クロスオーバー」周波数と呼ばれます。これは図1に示されており、この例ではクロスオーバー周波数は30 MHzであり、赤い矢印でマークされています。
これを調べるもう 1 つの方法は、インダクタンスと抵抗の段階でコンポーネントが実際にどのような動作をするかという観点から見ることです。インダクタのインピーダンスが整合していない他のアプリケーションと同様、入力信号の一部がソースに反射されます。これにより、フェライト ビーズの反対側にある敏感な機器をある程度保護しますが、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、磁気ビーズがまだ誘導性である場合、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、ノイズ エネルギーの一部が通過します。
フェライト ビーズが抵抗相にあるとき、このコンポーネントは抵抗器のように動作するため、ノイズ エネルギーを遮断し、回路からそのエネルギーを吸収し、熱の形で吸収します。一部のインダクタと同じように構成されていますが、同じプロセス、生産ラインと技術、機械、および同じコンポーネント材料の一部では、フェライト ビーズは損失の多いフェライト材料を使用するのに対し、インダクタは低損失の鉄酸素材料を使用します。これは図 2 の曲線に示されています。
図は [μ''] を示しており、損失性フェライト ビーズ材料の挙動を反映しています。
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。EMI の多くの場合、この周波数でのインピーダンスは無関係で誤解を招きます。この「ポイント」の値は、インピーダンスが増加するか減少するかを示すものではありません。 、平坦になり、インピーダンスはこの周波数でピーク値に達し、材料がまだインダクタンス段階にあるか、抵抗段階に変化しているかがわかります。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 ビーズに複数の材料を使用しています。少なくともデータシートに示されているとおりです。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。
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。代表的なインピーダンス曲線の例を図4に示します。
図 4 は、非常に重要な事実を示しています。この部品は、周波数 100 MHz の 50 オームのフェライト ビーズとして指定されていますが、そのクロスオーバー周波数は約 500 MHz で、1 ～ 2.5 GHz の間で 300 オーム以上を達成します。データシートを見てもユーザーはこのことを知ることができず、誤解を招く可能性があります。
図に示すように、材料の特性は異なります。フェライト ビーズの製造に使用されるフェライトには多くの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。図 5 は、一般的なグループ分けを示しています。適用周波数とインピーダンス。
もう 1 つの一般的な問題は、回路基板設計者が承認済みコンポーネント データベース内のフェライト ビーズの選択を制限される場合があることです。会社が他の製品での使用が承認され、満足できると思われるフェライト 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ありません。最近では、これが上記の元々の EMI ノイズ問題の悪化を繰り返し引き起こしています。以前に効果的だった方法は、次のプロジェクトにも適用できる可能性があります。特に、必要な信号の周波数が変化したり、クロック機器などの潜在的な放射コンポーネントの周波数が変化した場合には、以前のプロジェクトの EMI ソリューションに単純に従うことはできません。
図 6 の 2 つのインピーダンス曲線を見ると、2 つの同様の指定部品の材料効果を比較できます。
これら 2 つのコンポーネントの 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」材料を使用すると、最大インピーダンスは約 150 オームで、400 MHz で実現されます。右側の部品では、最大インピーダンスは約 150 オームです。 「D」材料を使用すると、最大インピーダンスは 700 オームで、約 700 MHz で達成されます。しかし、最大の違いはクロスオーバー周波数です。超高損失の「B」材料は 6 MHz で遷移します (R>XL)。一方、非常に高い周波数の「D」材料は約 400 MHz で誘導性を維持します。どの部品を使用するのが正しいでしょうか?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 ビーズが選択された場合に発生する一般的な問題をすべて示しています。フィルタされていない信号は、3.5 V、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。
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くなったために測定のアンダーシュートが増加しました。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。超高損失材料には、クロスオーバー周波数が低く、パフォーマンスが優れています。これは、このアプリケーションで使用するのに適した材料です (右の図)。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。
ビーズを流れる直流電流が増加すると、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低下率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場合、飽和の影響は、周波数に伴うインピーダンス値の減少に反映されます。このインピーダンスの低下により、フェライト ビーズの有効性と、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 ビーズの一連の典型的な DC バイアス曲線を示しています。
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場合の典型的な測定インピーダンスです。ただし、DC 電流が印加されると (たとえば、IC VCC の場合)、入力）、実効インピーダンスは急激に低下します。上の曲線では、1.0 A の電流の場合、実効インピーダンスは 100 オームから 20 オーム (100 MHz) に変化します。それほど重要ではないかもしれませんが、設計エンジニアが注意を払う必要がある点です。同様に、電気特性データのみを使用して、サプライヤーのデータシートにコンポーネントが記載されているため、ユーザーはこの DC バイアス現象に気づきません。
高周波RFインダクタと同様、フェライトビーズの内部コイルの巻き方向はビーズの周波数特性に大きな影響を与えます。巻き方向はインピーダンスと周波数レベルの関係に影響を与えるだけでなく、周波数特性も変化します。図 9 では、同じハウジング サイズと同じ材料を備えていますが、2 つの異なる巻線構成を備えた 2 つの 1000 オーム フェライト ビーズが示されています。
左側のコイルは垂直面に巻かれ、水平方向に積層されているため、右側の水平方向に巻かれ、垂直方向に積層されているコイルよりも高いインピーダンスと高い周波数特性が得られます。端端子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) の低下につながります。XC が低いほど、より高い自己共振周波数が生成され、その後、フェライト ビーズのインピーダンスが増加し続けることが可能になります。フェライト ビーズの標準構造のインピーダンス値よりも高い自己共振周波数に達します。上記の 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。
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ほとんどを実証しました。図 11 では、テスト ボードに 3 つのフェライト ビーズの位置とマークされたテスト ポイントが示されています。 「A」、「B」、および「C」は、送信出力 (TX) デバイスから離れた位置にあります。
信号の完全性は、フェライト ビーズの 3 つの位置それぞれの出力側で測定され、異なる材料で作られた 2 つのフェライト ビーズで繰り返されます。最初の材料である低周波損失の「S」材料は、複数のポイントでテストされました。 「A」、「B」、「C」。次に、高周波の「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。
フィルタされていない「スルー」信号が中央の行に表示され、立ち上がりエッジと立ち下がりエッジでそれぞれオーバーシュートとアンダーシュートが示されています。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が良好なオーバーシュートを示していることがわかります。これらの結果を図 12 の上段に示します。高周波材料を使用するとリンギングが発生する可能性があり、これにより各レベルが増幅され、不安定期間が増加します。これらのテスト結果は次のとおりです。下の行に表示されます。
図 13 に示す水平スキャンの推奨上部 (図 12) の周波数による EMI の改善を見ると、すべての周波数において、この部分が EMI スパイクを大幅に低減し、30 で全体のノイズ レベルを低減していることがわかります。 350 MHz 範囲では、許容レベルは赤い線で強調表示されている EMI 制限をはるかに下回ります。これは、クラス B 機器の一般的な規制基準 (米国の FCC パート 15) です。フェライト ビーズに使用される「S」材料は、特にこれらの低い周波数に使用されます。周波数が 350 MHz を超えると、 「S」材料は、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 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 より高い場合は、次のことを行う必要があります。スペクトル内で最大インピーダンスがより高い高周波フェライト材料の使用を検討してください。
もちろん、すべてのリンギング (図 12 の下の曲線に示すように) は通常、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できますが、この記事により、読者が多くのよくある間違いを回避し、リンギングの必要性が軽減されることが期待されます。正しいフェライト ビーズ時間を選択し、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」出発点を提供します。
最後に、より多くの選択肢と設計の柔軟性を得るには、単一の部品番号だけでなく、一連のフェライト ビーズを承認することが最善です。異なるサプライヤーは異なる材料を使用しており、各サプライヤーの周波数性能をレビューする必要があることに注意してください。 、特に同じプロジェクトに対して複数の購入が行われた場合。最初にこれを行うのは少し簡単ですが、部品が管理番号の下でコンポーネント 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。重要なことは、将来他の用途に使用できる可能性を排除するために、異なるサプライヤーの部品の周波数性能が非常に似ているということです。問題が発生しました。最善の方法は、異なるサプライヤーから同様のデータを入手し、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 ビーズが使用されるようになります。
Chris Burket 氏は 1995 年から TDK に勤務しており、現在はシニア アプリケーション エンジニアとして多数の受動部品をサポートしています。製品設計、技術営業、マーケティングに携わっています。 Burket 氏は、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。 Burket は、光学/機械スイッチおよびコンデンサに関する 3 つの米国特許を取得しています。
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