LC-фильтр на основе ферритовой втулки и экспериментальное определение параметров его модели

 

Лемешко Н.В. (д.т.н., зам. нач. отдела АО «Корпорация «Комета», nlem83@mail.ru)

Савкин А.М. (инженер по применению, nto400@yandex.ru)

Статья размещена в журнале «Электроника СВЧ» №2

Ключевые слова: электромагнитная совместимость, ферритовая втулка, импульс, LC-фильтр, осциллограф, идентификация параметров, генератор сигналов произвольной формы.

 

В статье рассматриваются преимущества и особенности применения LC-фильтров в виде ферритовой втулки (ФВ), размещенной над заземленной плоскостью. Рассмотрены схемы замещения такой конструкции для синфазного и дифференциального режимов протекания тока в проходящих через ФВ проводниках. Даны информация о возможных областях применения такого LC-фильтра. Предложен алгоритм идентификации параметров его схемы замещения для синфазного режима на основе измерений во временной области, представлены результаты измерений и их обработки, необходимой для определения параметров схемы замещения.

 

Введение

Проблема внутрисистемной электромагнитной совместимости (ЭМС) является весьма острой для современных электронных устройств (ЭУ). Это обусловлено следующими факторами [1]. Во-первых, применение электронных компонентов поверхностного монтажа и широкое применение интегральной технологии позволило повысить плотность монтажа, но в то же время потребовало снижения напряжений электропитания и мощностей используемых сигналов. Во-вторых, существенно расширилась полоса частот используемых в цифровых ЭУ сигналов, что связано с повышением требований по их быстродействию и прогрессом в части цифровой обработки информации. Наконец, в-третьих, повысилась топологическая сложность печатных узлов, что создало особые условия для распространения радиопомех и групповой вовлеченности проводников и компонентов в этот процесс. Ввиду перечисленных факторов на этапе проектирования и изготовления ЭУ должны быть запланированы и воплощены схемотехнические, конструкторские и иные мероприятия, направленные на достижение требуемых показателей помехоэмиссии и помехоустойчивости.

Вместе с тем, обеспечение внутриаппаратной ЭМС должно осуществляться на основе наиболее простых и экономически целесообразных методов, поскольку они не привносят решительно ничего дополнительного в функционирование ЭУ как таковое. Анализ конструкторских методов обеспечения ЭМС показывает [2], что имеется принципиальная возможность повысить их эффективность рационализацией компоновки ЭУ. Улучшение показателей ЭМС за счет оптимизации конструкции и размещения элементов хорошо прослеживается в рекомендациях по проектированию фильтров, в частности, устанавливаемых совместно с электродинамическими экранами для формирования полноценного барьера разделения зон с разной электромагнитной обстановкой. Здесь снижение коэффициента передачи в полосе заграждения достигается за счет максимально возможного разнесения входных и выходных цепей, что снижает их паразитную индуктивно-емкостную связь. Переход от произвольных конструкций к линиям передачи с нормируемым волновым сопротивлением [1] также следует отнести к оптимизации конструкции ЭУ.

Применение ферритовых втулок (ФВ) относится к одному из простейших методов обеспечения ЭМС и считается своего рода вспомогательным мероприятием по отношению к фильтрации и экранированию. Однако и для этого, казалось бы, простейшего элемента может быть использован подход, позволяющий повысить эффективность ослабления кондуктивных помех. Он состоит в размещении ФВ, установленной на кабеле, вплотную к плоскости заземления (ПЗ), например, к стенке заземленного проводящего корпуса или потенциальному слою на печатном узле. Это приводит к возникновению дополнительной емкости между проходящими через ФВ проводниками и такой плоскостью, изменяет характер привносимого импеданса в пользу усиления фильтрующих свойств. Такая конструкция по своим свойствам представляет нелинейный LC-фильтр, поскольку характеристики элементов в схеме его замещения проявляют существенную зависимость от частоты. При этом для рассматриваемой конструкции будет действовать эффект близости, за счет которого протекающие в ПЗ возвратные токи будут сконцентрированы в малой окрестности в месте размещения ФВ.

Целью настоящей работы является выработка наиболее простого подхода к экспериментальному определению параметров элементов для схемы замещения такого фильтра с учетом их зависимости от частоты.

Основные свойства и схемы замещения LC-фильтра на основе ФВ

Согласно принятой классификации [3], ферриты, применяемые для изготовления ФВ, относят к высокочастотным материалам с полосой рабочих частот до 1 ГГц. Для этой цели используются только магнитомягкие ферриты, что обеспечивает малые потери на перемагничивание и сохранение больших значений относительной магнитной проницаемости µ в магнитных полях невысокой напряженности, характерных для типовых синфазных помехонесущих токов. Ферриты характеризуются существенно меньшей индукцией насыщения, чем электротехническая и специализированная сталь, причем в этом состоянии значение модуля их магнитной проницаемости падает практически до единицы. Поэтому в типовом случае ФВ применяются для повышения полного импеданса в цепях со сравнительно небольшим значением некомпенсированного тока. Для ферритов действует ряд ограничений по воздействию повышенной температуры и механических напряжений, которые должны учитываться при выборе условий эксплуатации [4].

Ферриты имеют структуру, во многом сходную с керамикой, и являются диэлектриками, но с пониженным электрическим сопротивлением. В их структуре обычно присутствуют две кристаллические подрешетки, из которых по крайней мере одна обладает антиферромагнитными свойствами. Для изготовления ФВ обычно используются никель-цинковые и магний-цинковые ферриты, образованные твердыми растворами замещения в структуре шпинели. В ферритах этих типов кристаллическая подрешетка, включающая атомы цинка, не имеет собственного магнитного момента. Меняя концентрацию тех или иных ионов в объеме кристаллической решетки, можно варьировать электрофизические свойства ферритов, что и применяется для получения ФВ с наибольшим полным сопротивлением в заданной полосе частот.

Сложная кристаллическая структура ферритов определяет свойства ФВ при взаимодействии с магнитным полем некомпенсированных токов. В радиоэлектронных приложениях любые материалы обычно используются в полосах частот, в которых не наблюдаются недопустимые потери, например, на поляризацию диэлектриков. Применение ФВ в качестве фильтров низких частот составляет исключение. Смена ориентации вектора намагниченности для образца феррита сопровождается энергетическими затратами, которые существенно возрастают на частотах свыше 1…10 МГц, и проявляются в виде увеличения индуктивной и активной компонент полного сопротивления цепи с ФВ для синфазных токов. По этой причине магнитная проницаемость ферритов считается комплексной, имеющей отрицательную мнимую часть. Индуктивное и активное сопротивление для ФВ обычно имеют максимальное значение в пределах 40…200 Ом на частотах 50…300 МГц и с дальнейшим ростом частоты уменьшаются практически до нулевых значений.

Относительная диэлектрическая проницаемость ε для ферритов оказывается заметно больше единицы и обычно лежит в интервале от 10 до 50 и снижается с ростом частоты. Естественно, что значение ε не зависит от силы тока в проводниках, проходящих через ФВ. Собственная проводимость ферритов такова, что образцы ФВ имеют сопротивление
от 0,5 МОм, если ФВ не помещена в пластиковую капсулу. В противном случае оно возрастает на несколько порядков. Таким образом, в дальнейшем изложении потерями на проводимость ФВ можно пренебречь.

В теории обеспечения ЭМС сигналы и помехи, проходящие тем или иным образом через ФВ, принято разделять на синфазную и дифференциальную составляющие. Синфазный режим (рис. 1,а) отличается тем, что токи протекают в одном направлении и имеют одинаковые значения, возвращаясь к источнику через низкоимпедансное заземление. Оба тока считаются проходящими через равные полные сопротивления нагрузки Z₁ = Z₂. При этом протекание токов в одном и том же направлении удваивает магнитное поля, взаимодействие которого с материалом ФВ обуславливает появление индуктивной и активной составляющей вносимого импеданса. Наличие ПЗ рядом с ФВ создает дополнительный путь для протекания тока i_C(t) через емкостную связь. Дифференциальный режим (рис. 1,б) отличается наличием в паре проводников одинаковых токов i(t), противоположных по направлению. Их магнитные поля почти компенсируют друг друга, поэтому дифференциальные составляющие и сигналов, и помех ослабляются существенно слабее, чем синфазные. Наличие ПЗ вблизи ФВ в данном случае не создает условий для утечки через емкость в землю, поскольку источник не соединен с ней. Однако ФВ несколько повышает емкость между проводниками, несущими дифференциальный сигнал.

а)

   б)

Рис. 1.  Работа ФВ при наличии ПЗ:
а) в синфазном режиме; б) в дифференциальном режиме

Исходя из представления о работе ФВ в дифференциальном и синфазном режиме, для них могут быть построены схемы соответствующие замещения. При строгом подходе для участков проводников, проходящих через ФВ, следует строить систему дифференциальных уравнений наподобие той, что применяется для длинных линий передачи [5]. Вместе с тем, типичный диапазон работы ФВ составляет до 1 ГГц, что соответствует длине волны 0,3 м. Несмотря на то, что для ФВ максимальная магнитная проницаемость может составлять до 15000 [4], с переходом в дециметровый диапазон её значение существенно падает, что наряду с частотной зависимостью диэлектрической проницаемости материала ФВ приводит к снижению коэффициента укорочения длины волны. Вне объема ФВ предполагается наличие среды с единичной относительными магнитной и диэлектрической проницаемостями. Исходя из этого, будем рассматривать схемы замещения ФВ для синфазного и дифференциального режимов в категориях сосредоточенных параметров (рис. 2).

Для синфазного режима схема включает частотно-зависимые активное сопротивление, индуктивность, а также емкость проводников относительно земли. При использовании такой секционной модели все номиналы соответствующих элементов считаются одинаковыми, уменьшенными в два или в три раза относительно аналогичных полных значений для ФВ в соответствии с их количеством. Схему на рис. 2,а не следует дополнять емкостью между проводниками, поскольку синфазный режим и равенство токов в проводниках означает их одинаковый потенциал, т.е. накопление зарядов в такой емкости будет отсутствовать.

а)

б)

Рис. 2. Схема замещения ФВ при работе:
а) в синфазном режиме; б) в дифференциальном режиме

Проявление собственных свойств ФВ за исключением дополнительной емкости определяется взаимодействием магнитного поля с ферритом. В дифференциальном режиме токи в паре проводников (рис. 2,б) протекают встречно и имеют одинаковое значение, за счет чего их магнитные поля почти полностью компенсируют друг друга. Исходя из этого, в схеме замещения следует использовать разностный эквивалент таких токов Δi(t). Поскольку применение разностных токов непосредственно при моделировании ФВ неудобно, то оказывается целесообразным пропорционально уменьшить значения R(f) и L(f) так, чтобы они соответствовали, как минимум, усредненному отношению Δi(t)/i₁(t). При этом следует иметь ввиду, что форма токов Δi(t) и i₁(t) может существенно отличаться друг от друга, т.е. токи эти токи будут меняться несинхронно. По указанной причине в схеме на рис. 2,б введены иные обозначения для активной и индуктивной составляющих — R`(f) и L`(f). В дифференциальном режиме между линиями будет иметься разность потенциалов, а в схеме замещения будут присутствовать две разные частотно-зависимые емкости — между проводниками C`(f) и между каждым проводником и ПЗ С(f).

Применение трехсекционной модели для ФВ является промежуточным звеном и компромиссом между элементарной RCL-цепью и более сложными моделями, включая построенные на уравнениях, подобных телеграфному. Можно ожидать, что такая схема замещения позволит моделировать ФВ с приемлемой для практики точностью. При этом сложность идентификации параметров моделей ФВ оказывается в прямой зависимости от количества секций. Уже для модели на рис. 2,а возможны проблемы со сходимостью результатов решения систем уравнений в обеспечение определения зависимостей R(f), L(f) и C(f). Поскольку ФВ наиболее эффективно работают в синфазном режиме, то в дальнейшем изложении будем ориентироваться именно на такое их применение.

Особенности и типовые области применения LC-фильтров на основе ФВ

Рассмотренная конструкция фильтра может использоваться в следующих вариантах.

1. Установка ФВ рядом с вводом сигнальных кабелей в экранированные и неэкранированные корпуса ЭУ. Ключевым моментом здесь является отсутствие условий для перехода ФВ в насыщение за счет полезных сигналов, т.е. в отсутствие помех. Кроме того, для обеспечения одинаковости емкости, создаваемой ПЗ, целесообразно охватывать ФВ по всей внешней площади специально подобранной проводящей P-образной скобой, соединенной с ПЗ. Такая конструкция исключает возможность использования нескольких витков кабеля на ФВ, приводящее к увеличению индуктивно-емкостной связи между проводниками и усилению перекрестных помех [1].
2. Изготовление «фильтрующих контактов» в разъемах. Суть метода состоит в том, что для некоторых или всех линий вокруг их контактов в разъеме устанавливаются индивидуальные ФВ малых размеров, покрытые снаружи проводящим напылением. Для всех таких ФВ внутри разъема реализуется специальная проводящая пластина или сетка, соединяемая с проводящим напылением. Фильтрующие свойства такого решения определяются, как и в остальных случаях, геометрией ФВ и её материалом. Особое внимание следует обратить на качество соединения проводящей пластины с заземлением. В случае повышенного полного импеданса заземления между линиями, проходящими через фильтрующие контакты, образуется сильная паразитная связь, способная приводить к нарушению целостности сигналов для высокоскоростных приложений.

Рис. 3. Ферритовая втулка для плоского кабеля

3. Плоские кабели также могут снабжаться ФВ, которые для данного применения будут иметь плоскую форму (рис. 3) и подбираться в точности под сечение плоского кабеля. Это применение ФВ для организации LC-фильтра отличается наибольшей простотой и отсутствием необходимости использования дополнительных конструкционных элементов. Плоскую ФВ достаточно просто приклеить к ПЗ. За счет своей форы такая ФВ будет обеспечивать одинаковый вносимый импеданс для всех синфазных токов, протекающих в кабеле, за исключением, возможно, крайних проводников, расположенных в местах закругления ФВ. Представленная на рисунке форма ФВ позволяет при той же её длине повысить емкость между проводниками кабеля и ПЗ в сравнении с ФВ круглой формы.
4. Установка ФВ на проводящие конструкции, не предназначенные для протекания тока, но находящиеся в ближней зоне излучения антенн, позволяет реализовать фильтрующие устройства для ограничения их влияния на форму диаграмм направленности. В данном случае наличие заземления рядом с ФВ может способствовать образованию рамочных антенн с собственными резонансными частотами, ввиду чего предлагаемое решение должно применяться с осторожностью.
5. Регистраторы синфазных перенапряжений также могут быть построены на основе ФВ, дополненной ПЗ. Для этого в дополнение к решению, описанному в пункте 1, на ФВ следует сделать один виток провода для образования подобия широкополосного трансформатора либо использовать дополнительный проводник в составе кабеля как фрагмент такого витка. Импульсные перенапряжения всегда сопровождаются кратковременным повышением синфазной составляющей тока, которое может быть зарегистрировано пороговыми устройствами типа триггеров или аналого-цифровых преобразователей низкой разрядности. Вторичную цепь такого датчика следует снабдить ограничителями перенапряжения. Это решение позволит регистрировать перенапряжения даже в случае ухода ФВ в насыщение, однако оно не годится для измерений характеристик импульсного тока.

Ограничения применения ФВ, расположенных над ПЗ, определяются их свойствами. Как отмечалось выше, фильтрующие свойства ФВ ухудшаются с увеличением синфазного тока за счет постепенного достижения насыщения, а дифференциальная компонента отфильтровывается сравнительно слабо из-за низкого значения суммарного магнитного поля. Следовательно, лучшие условия применения LC-фильтров на основе ФВ и их наибольшая эффективность соответствуют умеренному уровню синфазных помех.

Типовые ферриты для изготовления ФВ сохраняют магнитные свойства на частотах до 500…1000 МГц [6]. Использование близко расположенной ПЗ позволит, по-видимому, несколько расширить частотный диапазон работы фильтра за счет емкости, которая проявляет меньшую зависимость от частоты. Если же предполагается наличие более высокочастотных помех или иных нежелательных составляющих, то следует использовать иные конструкции фильтров.

LC-фильтры на основе ФВ имеют существенные ограничения по применению в высокоскоростных приложениях с использованием дифференциальных сигналов. Дифференциальные линии обычно допускают подключение емкостей между ними и низкоимпедансным заземлением. В то же время дополнительная емкость между проводниками дифференциальной пары способна приводить к недопустимому уменьшению раскрыва глазковой диаграммы по длительности и амплитуде и нарушению информационной целостности сигналов. Она возникнет, если ПЗ или соответствующий ей элемент конструкции LC-фильтра будет иметь повышенный импеданс, например, за счет нерационального заземления.

Еще одно ограничение применения связано с механическими свойствами ферритов. Поскольку ферриты по своей сути являются керамикой, то ударные нагрузки, свойственные некоторым высокоподвижным объектам, могут разрушить ФВ. Наличие трещин в материале ФВ будет приводить к существенному увеличению магнитного сопротивления и снижению магнитного потока в материале, а также вносимого импеданса. Уменьшение вероятности разрушения достигается точным подбором ФВ под диаметр кабелей, использованием защитных пластиковых корпусов, надежностью крепления ФВ.

Окончание в следующем номере журнала «Электроника СВЧ» №3.

Размещение статей и  маркетинговые возможности продвижения: anton.denisov@ecomp.ru

Литература
1. Кечиев Л. Н. Проектирование печатных плат для цифровой быстродействующей аппаратуры. М.: ООО «Группа ИДТ», 2007.
2. Уильямс Т. ЭМС для разработчиков продукции. Пер. с англ. Кармашева В. С., Кечиева Л. Н. М.: Издательский дом «Технологии», 2003.
3. Заводян А. В. Конструкции и технологии изготовления компонентов и узлов электронных средств. Методические указания к
лабораторному практикуму по дисциплине «Технология компонентов ЭВС». Под ред. Тимошенкова С. П. М.: МИЭТ, 2007.
4. Пасынков В. В., Сорокин В. С. Материалы электронной техники. Учебник. М.: Лань, 2003.
5. Кечиев Л. Н. Печатные платы и узы гигабитной электроники. М.: Грифон, 2017.
6. Лемешко Н. В., Струнин П. А., Горелкин М. В. Расчет собственного импеданса ферритовых втулок в составе электрических
цепей на основе измерений во временной области. Часть 1 // Современная электроника. 2020. ¹ 8.
7. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 2003.
8. DG5000 Pro Series. Function/Arbitrary Waveform generator. Data Sheets. DSB18101-1110, 05.2025.
9. DS70000 Series. Digital Oscilloscope. Data Sheets. DSA28100-1110, 10.2021.