חרוזי פריט ללא מעטה מסתורין

מבוא
שיטה יעילה לסינון רעש של ספקי כוח ולחלוקה בצורה נקייה של פסי ספק כוח דומים (כלומר, פסים אנלוגיים ודיגיטליים עבור מעגלים משולבים בעלי אותות מעורבים) תוך שמירה על הבידוד בתדר גבוה בין הפסים המשותפים היא השימוש בחרוזי פריט (ferrite beads). חרוז פריט הוא התקן פאסיבי המסנן את אנרגיית הרעש בעלת תדר גבוה על-פני תחום תדרים רחב. הוא הופך להתנגדותי על-פני תחום התדרים המתוכנן ומפזר את אנרגיית הרעש בצורת חום. חרוז הפריט מחובר בטור עם פס ספק הכוח והוא משולב לעתים קרובות עם קבלים להארקה בצד כלשהו של החרוז. דבר זה יוצר רשת סינון מעבירה-נמוכים, ומפחית עוד יותר את רעש בעל התדר הגבוה של ספק הכוח.
אולם, שימוש לא נכון של חרוזי פריט בתכנון מערכת עשוי להוביל לסוגיות מזיקות אחדות. דוגמאות אחדות הן תהודה בלתי-רצויה בשל חיבור החרוז עם קבל נוטל צימוד לשם סינון בתדר נמוך וההשפעה של תלות זרם המשוב dc המחליש את יכולת דחיית ה-EMI של החרוז. על-ידי הבנה נכונה ושיקול של התנהגות חרוז הפריט, ניתן למנוע סוגיות אלו.
מאמר זה דן בשיקולים החשובים שמתכנני מערכות חייבים להיות ערים להם בשעה שהם משתמשים בחרוזי פריט במערכות ספקי כוח דוגמת מאפייני העכבה לעומת תדר כאשר משנים את זרם המשוב dc והשפעות תהודת LC בלתי רצויות. לבסוף, כדי לטפל בסוגיה של תהודה בלתי-רצויה, יוכנסו טכניקות של ריסון ותוצג השוואה של יעילות של כל שיטת ריסון.
ההתקן אשר שימש להצגת ההשפעות של חרוזי פריט בתור מסנן מוצא הוא מווסת מיתוג dc-to-dc 2A/1.2A בעל מוצאים חיוביים ושליליים בלתי-תלויים (ADPS071). חרוזי הפריט אשר שימשו במאמר זה הם בעיקר מארזים מורכבים-על-השטח מסוג שבב.

דוגמה והדמיה מפושטות של חרוז פריט
חרוז פריט ניתן למדל כמעגל מופשט המורכב מנגדים, סליל וקבל, כמתואר באיור . RDC מייצג את התנגדות ה-dc של החרוז. CPAR, IBEAD ו-RAC הם (בהתאמה) הקיבול הפרזיטי, השראת החרוז והתנגדות ה-ac (הפסדי הליבה ac) הקשורים לחרוז.
חרוזי פריט מסווגים על-ידי שלושה אזורי היענות: השראתי, התנגדותי וקיבולי. ניתן לקבוע אזורים אלה על-ידי הסתכלות על עקומת ה-ZRX (המוצגת באיור 1b), כאשר Z היא העכבה, R היא ההתנגדות ו-X היא ההיגב (reactance) של החרוז. כדי להקטין את הרעש בתדר הגבוה, החרוז חייב להימצא באזור ההתנגדותי; דבר זה רצוי במיוחד עבור יישומי סינון של הפרעה אלקטרו-מגנטית (EMI). הרכיב פועל כנגד, המעכב את הרעש בתדר גבוה ומפזר אותו בתור חום. האזור ההתנגדותי מופיע אחרי תדר ההצטלבות של החרוז (X=R) ועד הנקודה בה החרוז הופך לקיבולי. נקודה קיבולית זו מופיעה בתדר בו הערך המוחלט של ההיגב הקיבולי (-X) הוא שווה ערך ל-R.
במקרים מסוימים, מודל המעגל המפושט יכול לשמש כדי להעריך את מאפיין העכבה של חרוז הפריט עד לתחום מתחת ל-GHz.
חרוז הפריט הרב-שכבתי BMB2A1000LN2 של Tyco Electronics משמש להדגמה. איור 1b מראה את היענות ה-ZRX המדודה של BMB2A1000LN2 עבור זרם מימתח אפס dc תוך שימוש בנתח עכבות.
עבור האזור בעקומת ה-ZRX המדודה בו החרוז נראה יותר השראתי (Z=XL;LBEAD), השראות החרוז מחושבת לפי הנוסחה הבאה:
LBEAD=XL/2xπxf (1
כאשר:
f הוא נקודת התדר בתוך האזור בו החרוז נראה השראתי. בדוגמה זו, f=30.7MHz. הוא ההיגב ב-30.7 מגה-הרץ, שהוא 233Ω.
משוואה 1 מובילה לערך השראה (LBEAD) של 1.208µH.
בשביל האזור בו החרוז נראה קיבולי ביותר (Z=|XC|; CPAR), הקיבול הטפילי מחושב לפי הנוסחה הבאה:
CPAR=1/2xπxfx|XC| (2
כאשר:
F היא נקודת התדר אי-שם באזור בו החרוז נראה קיבולי. בדוגמה זו, f=803 MHz, הוא ההיגב ב-803 מגה-הרץ, שהוא 118.1Ω.
משוואה 2 מניבה ערך קיבול טפילי (CPAR) של 1.678pF.

התנגדות ה-dc , שהיא 300mΩ, מושגת מדף הנתונים של היצרן. התנגדות ה-ac היא עכבת השיא בה החרוז נראה כהתנגדותי במלואו.
חשב את RAC על-ידי חיסור של RDC מ-Z. מאחר ש-RDC היא מאוד נמוכה בהשוואה לעכבת השיא, ניתן להזניחה. לכן, במקרה זה, RAC היא 1.082kΩ. כלי הדמיית המעגל ADIsimPE המוזן על-ידי ה-SIMetrix/SIMPLIS שימש ליצירת העכבה מול היענות התדר. איור 2a מראה את דגם הדמיית המעגל עם הערכים המחושבים ואיור 2b מראה הן את המדידה הממשית והן את התוצאה המדומה. בדוגמה זו, עקומת העכבה מדגם הדמיית המעגל תואמת מאוד את המדודה.
דגם חרוז הפריט יכול לשמש בתכנון וניתוח של מעגל סינון הרעש. לדוגמה, ההערכה של השראת החרוז עשויה להיות מועילה בקביעת קיטעון תדר התהודה כאשר משלבים אותו עם קבל נוטל צימוד ברשת מסנן מעביר נמוכים. אולם, דגם המעגל המצוין במאמר זה הוא אומדן בעל זרם ממתח dc אפס. דגם זה עשוי להשתנות ביחס לזרם ממתח ה-dc, ובמקרים אחרים, דרוש דגם יותר מורכב.

שיקולי זרם ממתח DC
בחירת חרוז הפריט הנכון עבור יישומי הספק דורשת שיקול זהיר לא רק של רוחב-הפס של המסנן, אלא גם של העכבה האופיינית של החרוז ביחס לזרם ממתח ה-dc. ברוב המקרים, יצרנים מציינים רק את עכבת החרוז ב-100 מגה-הרץ ומפרסמים דפי נתונים בעלי עקומות היענות לתדר בזרם dc אפס. אולם, כאשר משתמשים בחרוזי פריט עבור סינון ספק כוח, זרם העומס העובר דרך חרוז הפריט איננו אפס אף פעם, ובעוד זרם מימתח ה-dc עולה מאפס, כל הפרמטרים הללו משתנים משמעותית.
כאשר זרם מימתח ה-dc עולה, חומר הליבה מתחיל להיות רווי, דבר המפחית משמעותית את השראת חרוז הפריט. מידת הרוויה של ההשראה משתנה לפי החומר המשמש לליבת הרכיב. איור 3a מראה את התלות האופיינית של מימתח ה-dc לפי ההשראה עבור שני חרוזי פריט. עם 50% של הזרמים הנקובים, ההשראה יורדת בעד 90%.
לשם סינון יעיל של רעש ספק-כוח, קו מנחה של תכנון הוא להשתמש בחרוזי פריט בערך ב-20% של הזרם dc הנקוב. כמוצג בשתי דוגמאות אלה, ההשראה ב-20% מהזרם הנקוב יורדת בערך ל-30% עבור חרוז של 6 אמפר ול-15% עבור חרוז של 3 אמפר. דירוג הזרם של חרוזי פריט הוא אידיקציה של הזרם המרבי שההתקן יכול לשאת עבור עלייה בטמפרטורה נקובה ואיננו מהווה נקודת פעולה עבור מטרות סינון.
בנוסף, ניתן לראות את השפעת זרם המימתח dc בהקטנת ערכי העכבה בתלות בתדר, דבר המקטין בתורו את יעילות חרוז הפריט ויכולתו לבטל את ה-EMI. איור 3b ואיור 3c מראים כיצד משתנה העכבה של חרוז הפריט עם זרם המימתח. על-ידי הזנה רק ב-50% מהזרם הנקוב, העכבה היעילה ב-100 מגה-הרץ נופלת דרמטית מ- Ω100 ל-10 Ω עבור ה-MPZ1608S101A (100Ω, 3 A, 0603) של TDK ומ-70 Ω ל- Ω15 עבור ה-742 792 510 של Wurth Elektronik (70Ω, 6A,1812).
מתכנני מערכות צריכים להיות ערים מאוד להשפעת זרם מימתח ה-dc על השראת החרוז והעכבה היעילה, מאחר שהדבר עשוי להיות קריטי ביישומים הדורשים זרם ספק גבוה.

השפעת תהודת ה-LC
תילול (peaking) תהודה אפשרי כאשר מממשים חרוז פריט ביחד עם קבל נוטל צימוד. השפעה זו שניתנת להזנחה בד”כ עשויה להיות מזיקה משום שהיא יכולה להגביר את הגליות והרעש במערכת נתונה במקום לנחות אותם. במקרים רבים, תילול זה קורה מסביב לתדרי מיתוג מקובלים של ממירי dc-ל-dc.
תילול קורה כאשר תדר התהודה של רשת מסנן מעביר-נמוכים, הנוצר על-ידי השראת חרוז הפריט וקבל נוטל צימוד בעל Q גבוה, הוא מתחת לתדר ההצטלבות של החרוז. המסנן הנוצר הוא בתת-ריסון (underdamped). איור 4a מראה את עקומת העכבה המדודה כנגד התדר של MPZ1608S101A של TDK. הרכיב ההתנגדותי התלוי באנרגיה הבלתי-רצויה המבוזרת, אינו הופך למשמעותי עד שמגיע לתחום של 20 עד 30 מגה-הרץ. מתחת לתדר זה, לחרוז הפריט יש עדיין Q גבוה מאוד ופועל כסליל אידיאלי. תדרי תהודה LC עבור מסנני חרוזים אופייניים הם בד”כ בתחום של 0.1 עד 10 מגה-הרץ. עבור תדרי מיתוג אופייניים בתחום מ-300 קילו-הרץ עד 5 מגה-הרץ, דרוש ריסון נוסף כדי להקטין את ה-Q של המסנן.
כדוגמה של השפעה זו, איור 4b מראה את היענות התדר S21 של המסנן מעביר נמוכים, המציג השפעת תילול. חרוז הפריט המשמש הוא MPZ1608S101A של TDK, והקבל נוטל הצימוד המשמש הוא קבל קרמי GRM188R71H103KA01 בעל ESR נמוך של Murata. זרם העומס הוא בתחום המיקרו-אמפרים.
מסנן חרוז פריט ללא-ריסון עשוי להציג שיאים מ-10dB בערך עד 15dB בערך, תלוי ב-Q של מעגל המסנן. באיור 4b, התילול קורה מסביב ל-2.5 מגה-הרץ עם שבח גדול עד כדי 10dB.
בנוסף, ניתן לראות את שבח האות מ-1 מגה-הרץ עד 3.5 מגה-הרץ. תילול זה בעייתי אם הוא מופיע בתחום התדרים בו פועל וסת המיתוג. דבר זה מגביר את עיוות המיתוג הבלתי-רצוי, דבר היכול ליצור הרס בביצועי עומסים רגישים דוגמת מתנדים מבוקי-מתח (voltage controlled oscillators – VCOs) נעול-מופע (phase-lock loop – PLL) וממירים אנלוגיים לדיגיטליים (analog-to-digital converters – ADCs) בעלי רזולוציה גבוהה. התוצאה המוצגת באיור 4b נלקחה עם עומס קל מאוד (בתחום המיקרו-אמפרים), אולם זהו יישום ממשי בקטעי מעגלים הדורשים רק מיקרו-אמפרים מועטים עד 1 מילי-אמפר של זרם עומס או קטעים המכובים כדי לחסוך אנרגיה באופני הפעלה אחדים. התילול הפוטנציאלי הזה יוצר רעש נוסף במערכת היכול ליצור ערב-דיבור בלתי-רצוי.
לדוגמה, איור 5 מציג מעגל יישום של ADP5071 בעל מסנן חרוז ממומש ואיור 6 מציג את עקומת הספקטרום במוצא החיובי. תדר המיתוג נקבע ל-2.4 מגה-הרץ מתח המבוא הוא 9 וולט, מתח המוצא נקבע ל-16 וולט וזרם העומס הוא 5 מילי-אמפר.
תילול תהודתי קורה מסביב ל-2.5 מגה-הרץ בשל ההשראה בחרוז והקבל הקרמי של 10nF. במקום לנחת את תדר הגליות היסודי ב-2.4 מגה-הרץ, מופיע שבח של 10dB.
גורמים אחרים בעלי השפעה על שיאי התהודה הם העכבות הטורית ושל העומס של מסנן חרוז הפריט. תילול מוקטן משמעותית ומרוסן עבור התנגדות מקור גבוהה יותר. אולם, ויסות העומס פוחת עם גישה זו, והופך אותה לבלתי-ממשית למעשה. מתח המוצא נופל עם זרם העומס בשל הנפילה מההתנגדות הטורית. עכבת העומס גם משפיעה על היענות התילול. התילול הוא גרוע יותר עבור תנאי עומס קל.

שיטות ריסון
פרק זה מתאר שלוש שיטות ריסון שמהנדס במערכת יכול לנצל כדי להוריד משמעותית את רמת התילול התהודתי (ראה איור 7).
שיטה A מורכבת מהוספת נגד טורי לנתיב הקבל ללא-צימוד המרסן את תהודת המערכת אך מפחית את יעילות המעקף בתדרים גבוהים.
שיטה B מורכבת מהוספת נגד מקבילי קטן על-פני חרוז הפריט אשר גם מרסן את תהודת המערכת. אולם, מאפיין הניחות של המסנן מופחת בתדרים גבוהים. איור 8 מראה את עקומת העכבה של ה- MPZ1608S101A כנגד התדר עם וללא נגד מקבילי של 10Ω. העקומה בצבע ירוק בהיר המקווקוו היא העכבה הכוללת של החרוז עם נגד של 10Ω במקביל. עכבת השילוב של החרוז והנגד מופחתת ונשלטת על-ידי נגד ה-10Ω. אולם, תדר ההצטלבות של 3.8 מגה-הרץ עבור החרוז עם נגד המקביל של 10Ω הוא הרבה יותר נמוך מאשר תדר ההצטלבות של החרוז בעצמו ב-40.3 מגה-הרץ. החרוז נראה התנגדותי בתחום תדרים הרבה יותר נמוך, והוא מוריד את ה-Q למען ביצועי ריסון משופרים.
שיטה C מורכבת מהוספת קבל גדול (CDAMP) עם נגד ריסון טורי (RDAMP), שהוא לעתים קרובות הפיתרון המיטבי.
הוספת הקבל והנגד מרסנת את התהודה של המערכת ואינה מפחיתה את יעילות המעקף בתדרים גבוהים. מימוש שיטה זו מונע פיזור הספק מוגזם על הנגד בשל קבל חסימה (blocking capacitor) גדול. הקבל צריך להיות הרבה יותר גדול מאשר סכום כל הקבלים נטולי הצימוד, דבר המקטין את ערך נגד הריסון הדרוש. עכבת הקבל צריכה להיות יותר נמוכה דיה מנגד הריסון בתדר התהודה כדי להקטין את התילול.
איור 9 מראה את עקומת הספקטרום החיובי במוצא עם ריסון של שיטה C ממומש במעגל היישום המוצג באיור 5. ה-CDAMP וה-RDAMP המשמשים הם קבל קרמי בעל 1µF ונגד SMD של 2Ω, בהתאמה. הגליות היסודית ב-2.4 מגה-הרץ מוקטנת ב-5dB בניגוד לשבח של 10dB המוצג באיור 9.
ככלל, שיטה C היא האלגנטית ביותר והיא ממומשת על-ידי הוספת נגד בטור עם קבל קרמי ולא על-ידי רכישה יקרה של קבל ריסון מיוחד. התכנונים הבטוחים ביותר כוללים תמיד נגד שעשוי להיות משופר במהלך האב-טיפוס והניתן לבטלו אם הוא איננו דרוש. החסרונות היחידים הם עלות הרכיבים הנוספת והמקום הגדול יותר בכרטיס הדרוש.

סיכום
המאמר מציג שיקולי מפתח שיש להביא בחשבון כאשר משתמשים בחרוזי פריט. הוא גם מפרט דגם מעגל פשוט המייצג את החרוז. תוצאות ההדמיה מראות קשר הדוק עם העכבה המדודה כנגד היענות התדר בזרם ממתח dc אפס.
מאמר זה גם דן בהשפעת זרם המימתח dc על מאפייני חרוז הפריט. הוא מוכיח שזרם ממתח dc הגדול יותר מ-20% של הזרם הנקוב עשוי לגרום לירידה משמעותית בהשראת החרוז. זרם זה עשוי גם להפחית את העכבה היעילה של החרוז ולדרדר את יכולת סינון ה-EMI שלו. כאשר משתמשים בחרוזי פריט בפסי הספקה עם זרם מימתח dc, הבטח שהזרם לא גורם לרוייה של חומר הפריט ולא יוצר שינוי משמעותי של ההשראה.
מאחר שחרוז הפריט הוא השראתו, אל תשתמש בו עמ קבלים נטולי צימוד בעלי Q גבוה מבלי לשים לב היטב. לעשות כך עשוי לגרום ליותר נזק מאשר תועלת על-ידי יצירת תהודה בלתי-רצויה במעגל. אולם, שיטות הריסון המוצעות במאמר זה מציעות פיתרון קל על-ידי שימוש בקבל נטול צימוד גדול בטור עם נגד ריסון על-פני העומס, תוך מניעה בכך של תהודה בלתי-רצויה. שימוש נכון בחרוזי פריט עשוי להיות דרך יעילה וזולה להקטנת הרעש בתדר גבוה ותופעות מעבר של מיתוג.

סימוכין
AN-583 Application Note, Designing Power Isolation Filters with Ferrite Beads for Altera FPGAs. Altera Corporation.
Application Manual for Power Supply Noise Suppression and Decoupling for Digital ICs. Murata Manufacturing Co., Ltd.
Burket, Chris. “All Ferrite Beads Are Not Created Equal – Understanding the Importance of Ferrite Bead Material Behavior.” TDK Corporation.
Eco, Jefferson and Aldrick Limjoco. AN-1368 Application Note, Ferrite Bead Demystified. Analog Devices, Inc.
Fancher, David B. “ILB, ILBB Ferrite Beads: Electromagnetic Interference and Electromagnetic Compatibility (EMI/EMC).” Vishay Dale.
Hill, Lee and Rick Meadors. “Steward EMI Suppression.” Steward.
Kundert, Ken. “Power Supply Noise Reduction.” Designer’s Guide Consulting, Inc.
Weir, Steve. “PDN Application of Ferrite Beads.” IPBLOX, LLC.

הבעת תודה
The authors would like to acknowledge Jeff Weaver, Donal O’Sullivan, Luca Vassalli, and Pat Meehan (University of Limerick, Ireland) for sharing their technical expertise and inputs.
Jefferson A. Eco joined Analog Devices Philippines in May 2011 and currently works as an application development engineer. He graduated from Camarines Sur Polytechnic College Naga City, Philippines, with a bachelor’s degree in electronics engineering.
Jefferson A. Eco joined Analog Devices
JEEEEE in electronics engineeringk currently holds a U.S. on switching regulator ripple filtering. Aldrick S. Limjoco