Giới thiệu 

Một phương pháp hiệu quả để lọc nhiễu nguồn tần số cao và chia sẻ gọn gàng các đường ray nguồn điện áp tương tự (tức là đường ray analog và kỹ thuật số cho IC tín hiệu hỗn hợp) trong khi vẫn duy trì khả năng cách ly tần số cao giữa các đường ray dùng chung là sử dụng hạt ferit. Hạt ferit là một thiết bị thụ động lọc năng lượng nhiễu tần số cao trên một dải tần số rộng. Nó trở thành điện trở trên dải tần số mong muốn và tiêu tán năng lượng nhiễu dưới dạng nhiệt. Hạt ferit được nối tiếp với đường ray nguồn và thường được kết hợp với tụ điện nối đất ở hai bên hạt. Điều này tạo thành một mạng lưới lọc thông thấp, giúp giảm nhiễu nguồn tần số cao hơn nữa.

Tuy nhiên, việc sử dụng hạt ferrite không đúng cách trong thiết kế hệ thống có thể dẫn đến một số vấn đề bất lợi. Một số ví dụ bao gồm cộng hưởng không mong muốn do kết hợp hạt với tụ tách ghép để lọc thông thấp và ảnh hưởng của sự phụ thuộc dòng điện phân cực DC làm giảm khả năng triệt nhiễu điện từ (EMI) của hạt. Với sự hiểu biết và cân nhắc đúng đắn về hoạt động của hạt ferrite, những vấn đề này có thể được tránh khỏi.

Bài viết này thảo luận về những cân nhắc quan trọng mà các nhà thiết kế hệ thống cần lưu ý khi sử dụng hạt ferit trong hệ thống cung cấp điện, chẳng hạn như đặc tính trở kháng so với tần số với dòng điện phân cực DC thay đổi và các hiệu ứng cộng hưởng LC không mong muốn. Cuối cùng, để giải quyết vấn đề cộng hưởng không mong muốn, các kỹ thuật giảm chấn sẽ được giới thiệu và so sánh hiệu quả của từng phương pháp giảm chấn sẽ được trình bày.

Thiết bị được sử dụng để chứng minh tác dụng của hạt ferit như một bộ lọc đầu ra là bộ điều chỉnh chuyển mạch DC-to-DC 2 A/1,2 A với đầu ra dương và âm độc lập ( ADP5071 ). Các hạt ferit được sử dụng trong bài viết này chủ yếu là các gói gắn trên bề mặt dạng chip.

Mô hình và mô phỏng hạt Ferrite đơn giản 

Hạt ferit có thể được mô hình hóa như một mạch đơn giản bao gồm điện trở, cuộn cảm và tụ điện, như thể hiện trong Hình 1a. RDC tương ứng với điện trở DC của hạt. CPAR, LBEAD và RAC (lần lượt) là điện dung ký sinh, độ tự cảm của hạt và điện trở AC (tổn thất lõi AC) liên quan đến hạt.

Hình 1. (a) Mô hình mạch đơn giản hóa và (b) Biểu đồ ZRX được đo bằng Tyco Electronics BMB2A1000LN2.

Các hạt ferit được phân loại theo ba vùng đáp ứng: cảm ứng, điện trở và điện dung. Các vùng này có thể được xác định bằng cách xem biểu đồ ZRX (hiển thị trong Hình 1b), trong đó Z là trở kháng, R là điện trở và X là điện kháng của hạt. Để giảm nhiễu tần số cao, hạt phải nằm trong vùng điện trở; điều này đặc biệt cần thiết cho các ứng dụng lọc nhiễu điện từ (EMI). Linh kiện này hoạt động như một điện trở, giúp cản trở nhiễu tần số cao và tản nhiệt. Vùng điện trở xuất hiện sau tần số giao thoa của hạt (X = R) và cho đến điểm mà hạt trở thành điện dung. Điểm điện dung này xuất hiện ở tần số mà giá trị tuyệt đối của điện kháng điện dung (–X) tương đương với R.

Trong một số trường hợp, mô hình mạch đơn giản hóa có thể được sử dụng để ước tính đặc tính trở kháng hạt ferit lên đến phạm vi dưới GHz.

Hạt ferit đa lớp Tyco Electronics BMB2A1000LN2 được sử dụng làm ví dụ. Hình 1b cho thấy đáp ứng ZRX đo được của BMB2A1000LN2 đối với dòng điện phân cực một chiều bằng 0, sử dụng máy phân tích trở kháng.

Đối với vùng trên biểu đồ ZRX được đo, nơi hạt có độ cảm ứng cao nhất (Z ≈ XL; LBEAD), độ tự cảm của hạt được tính theo phương trình sau:

Ở đâu:

f là điểm tần số bất kỳ trong vùng mà hạt có tính cảm ứng. Trong ví dụ này, f = 30,7 MHz. XL là điện kháng tại 30,7 MHz, tức là 233 Ω.

Phương trình 1 cho giá trị độ tự cảm (LBEAD) là 1,208 µH.

Đối với vùng mà hạt có điện dung lớn nhất (Z ≈ |XC|; CPAR), điện dung ký sinh được tính theo phương trình sau:

Ở đâu:

f là điểm tần số bất kỳ trong vùng mà hạt có tính điện dung. Trong ví dụ này, f  = 803 MHz | XC | là điện kháng tại 803 MHz, tức là 118,1 Ω.

Phương trình 2 cho giá trị điện dung ký sinh (CPAR) là 1,678 pF.

Điện trở một chiều (RDC), là 300 mΩ, được lấy từ bảng dữ liệu của nhà sản xuất. Điện trở xoay chiều (RAC) là trở kháng đỉnh mà tại đó hạt dường như chỉ có điện trở. Tính RAC bằng cách trừ RDC khỏi Z. Vì RDC rất nhỏ so với trở kháng đỉnh, nên có thể bỏ qua. Do đó, trong trường hợp này, RAC là 1,082 kΩ. Công cụ mô phỏng mạch ADIsimPE được hỗ trợ bởi SIMetrix/SIMPLIS đã được sử dụng để tạo trở kháng so với đáp ứng tần số. Hình 2a cho thấy mô hình mô phỏng mạch với các giá trị được tính toán và Hình 2b cho thấy cả phép đo thực tế và kết quả mô phỏng. Trong ví dụ này, đường cong trở kháng từ mô hình mô phỏng mạch gần khớp với đường cong trở kháng được đo.

Hình 2. (a) Mô hình mô phỏng mạch và (b) Đo lường thực tế so với mô phỏng.

Mô hình hạt ferit có thể hữu ích trong thiết kế và phân tích mạch lọc nhiễu. Ví dụ, việc xấp xỉ độ tự cảm của hạt có thể hữu ích trong việc xác định ngưỡng tần số cộng hưởng khi kết hợp với tụ điện tách ghép trong mạng lưới lọc thông thấp. Tuy nhiên, mô hình mạch được chỉ định trong bài viết này là một phép xấp xỉ với dòng điện phân cực một chiều bằng không. Mô hình này có thể thay đổi tùy theo dòng điện phân cực một chiều, và trong các trường hợp khác, cần có một mô hình phức tạp hơn.

Những cân nhắc về dòng điện DC bias 

Việc lựa chọn hạt ferrite phù hợp cho các ứng dụng điện đòi hỏi phải cân nhắc kỹ lưỡng không chỉ băng thông bộ lọc mà còn cả đặc tính trở kháng của hạt so với dòng điện phân cực DC. Trong hầu hết các trường hợp, nhà sản xuất chỉ định trở kháng của hạt ở tần số 100 MHz và công bố bảng dữ liệu với đường cong đáp ứng tần số ở dòng điện phân cực DC bằng 0. Tuy nhiên, khi sử dụng hạt ferrite để lọc nguồn điện, dòng điện tải đi qua hạt ferrite không bao giờ bằng 0, và khi dòng điện phân cực DC tăng từ 0, tất cả các thông số này đều thay đổi đáng kể.

Khi dòng điện phân cực DC tăng, vật liệu lõi bắt đầu bão hòa, làm giảm đáng kể độ tự cảm của hạt ferit. Mức độ bão hòa độ tự cảm khác nhau tùy thuộc vào vật liệu được sử dụng làm lõi linh kiện. Hình 3a cho thấy sự phụ thuộc điển hình của độ tự cảm vào độ phân cực DC của hai hạt ferit. Với 50% dòng điện định mức, độ tự cảm giảm tới 90%.

Hình 3. (a) Tác động của dòng điện phân cực DC lên độ tự cảm và đường cong trở kháng của hạt liên quan đến dòng điện phân cực DC đối với: (b) hạt TDK MPZ1608S101A và (c) hạt Würth Elektronik 742 792 510.

Để lọc nhiễu nguồn điện hiệu quả, nguyên tắc thiết kế là sử dụng hạt ferit ở khoảng 20% dòng điện một chiều định mức. Như thể hiện trong hai ví dụ này, độ tự cảm ở 20% dòng điện định mức giảm xuống còn khoảng 30% đối với hạt 6 A và khoảng 15% đối với hạt 3 A. Định mức dòng điện của hạt ferit là chỉ báo về dòng điện tối đa mà thiết bị có thể chịu được ở mức tăng nhiệt độ quy định và không phải là điểm hoạt động thực tế cho mục đích lọc.

Ngoài ra, tác động của dòng điện phân cực DC có thể được quan sát thấy trong việc giảm giá trị trở kháng theo tần số, từ đó làm giảm hiệu quả của hạt ferit và khả năng loại bỏ EMI của nó. Hình 3b và Hình 3c cho thấy trở kháng của hạt ferit thay đổi như thế nào theo dòng điện phân cực DC. Chỉ cần áp dụng 50% dòng điện định mức, trở kháng hiệu dụng ở 100 MHz giảm đáng kể từ 100 Ω xuống 10 Ω đối với TDK MPZ1608S101A (100 Ω, 3 A, 0603) và từ 70 Ω xuống 15 Ω đối với Würth Elektronik 742 792 510 (70 Ω, 6 A, 1812).

Các nhà thiết kế hệ thống phải nhận thức đầy đủ về tác động của dòng điện phân cực một chiều lên độ tự cảm của hạt và trở kháng hiệu dụng, vì điều này có thể rất quan trọng trong các ứng dụng đòi hỏi dòng điện cung cấp cao.

Hiệu ứng cộng hưởng LC 

Hiện tượng cộng hưởng đỉnh có thể xảy ra khi sử dụng hạt ferit kết hợp với tụ tách ghép. Hiệu ứng thường bị bỏ qua này có thể gây hại vì nó có thể khuếch đại gợn sóng và nhiễu trong một hệ thống nhất định thay vì làm suy giảm chúng. Trong nhiều trường hợp, hiện tượng cộng hưởng đỉnh này xảy ra xung quanh tần số chuyển mạch phổ biến của bộ chuyển đổi DC-DC.

Đỉnh xảy ra khi tần số cộng hưởng của mạng lưới bộ lọc thông thấp, được hình thành bởi độ tự cảm của hạt ferit và điện dung tách ghép Q cao, thấp hơn tần số giao thoa của hạt. Bộ lọc thu được bị giảm chấn. Hình 4a cho thấy biểu đồ trở kháng so với tần số được đo của TDK MPZ1608S101A. Thành phần điện trở, phụ thuộc vào việc tiêu tán năng lượng không mong muốn, không trở nên đáng kể cho đến khi đạt đến khoảng 20 MHz đến 30 MHz. Dưới tần số này, hạt ferit vẫn có Q rất cao và hoạt động như một cuộn cảm lý tưởng. Tần số cộng hưởng LC cho các bộ lọc hạt thông thường thường nằm trong khoảng 0,1 MHz đến 10 MHz. Đối với tần số chuyển mạch thông thường trong khoảng 300 kHz đến 5 MHz, cần phải giảm chấn bổ sung để giảm Q của bộ lọc.

Hình 4. (a) Biểu đồ ZRX TDK MPZ1608S101A và (b) phản hồi S21 cho bộ lọc thông thấp tụ điện và hạt ferit.

Ví dụ về hiệu ứng này, Hình 4b cho thấy đáp ứng tần số S21 của bộ lọc thông thấp dạng hạt và tụ điện, thể hiện hiệu ứng đỉnh. Hạt ferit được sử dụng là TDK MPZ1608S101A (100 Ω, 3 A, 0603) và tụ tách ghép được sử dụng là tụ gốm Murata GRM188R71H103KA01 có ESR thấp (10 nF, X7R, 0603). Dòng tải nằm trong khoảng microampere.

Bộ lọc hạt ferit không giảm chấn có thể biểu hiện các đỉnh từ khoảng 10 dB đến khoảng 15 dB tùy thuộc vào Q của mạch lọc. Trong Hình 4b, đỉnh xảy ra ở khoảng 2,5 MHz với độ khuếch đại lên đến 10 dB.

Ngoài ra, độ khuếch đại tín hiệu có thể được quan sát thấy từ 1 MHz đến 3,5 MHz. Hiện tượng đỉnh này sẽ gây ra vấn đề nếu nó xảy ra trong dải tần số mà bộ điều chỉnh chuyển mạch hoạt động. Điều này khuếch đại các hiện tượng nhiễu chuyển mạch không mong muốn, có thể gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của các tải nhạy cảm như vòng khóa pha (PLL), bộ dao động điều khiển bằng điện áp (VCO) và bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) độ phân giải cao. Kết quả thể hiện trong Hình 4b được thực hiện với tải rất nhẹ (trong phạm vi microampere), nhưng đây là một ứng dụng thực tế trong các đoạn mạch chỉ cần dòng tải từ vài microampere đến 1 mA hoặc các đoạn mạch được tắt để tiết kiệm điện trong một số chế độ hoạt động. Hiện tượng đỉnh tiềm ẩn này tạo ra nhiễu bổ sung trong hệ thống, có thể gây ra nhiễu xuyên âm không mong muốn.

Ví dụ, Hình 5 cho thấy mạch ứng dụng ADP5071 với bộ lọc hạt tích hợp và Hình 6 cho thấy biểu đồ phổ ở đầu ra dương. Tần số chuyển mạch được đặt ở 2,4 MHz, điện áp đầu vào là 9 V, điện áp đầu ra được đặt ở 16 V và dòng tải là 5 mA.

Hình 5. Mạch ứng dụng ADP5071 với bộ lọc thông thấp dạng hạt và tụ điện ở đầu ra dương.

Hình 6. Đầu ra phổ của ADP5071 ở tải 5 mA.

Hiện tượng cộng hưởng đỉnh xảy ra ở khoảng 2,5 MHz do độ tự cảm của hạt và tụ gốm 10 nF. Thay vì làm suy giảm tần số gợn sóng cơ bản ở 2,4 MHz, độ khuếch đại 10 dB xảy ra.

Các yếu tố khác ảnh hưởng đến các đỉnh cộng hưởng là trở kháng nối tiếp và trở kháng tải của bộ lọc hạt ferit. Độ đỉnh bị giảm đáng kể và bị tắt dần khi điện trở nguồn cao hơn. Tuy nhiên, phương pháp này làm giảm khả năng điều chỉnh tải, khiến nó không thực tế trong thực tế. Điện áp đầu ra giảm theo dòng tải do điện trở nối tiếp giảm. Trở kháng tải cũng ảnh hưởng đến đáp ứng đỉnh. Độ đỉnh kém hơn trong điều kiện tải nhẹ.

Phương pháp giảm chấn 

Phần này mô tả ba phương pháp giảm chấn mà kỹ sư hệ thống có thể sử dụng để giảm đáng kể mức đỉnh cộng hưởng (xem Hình 7).

Hình 7. Đáp ứng tần số thực tế cho các phương pháp giảm chấn khác nhau.

Phương pháp A bao gồm việc thêm một điện trở nối tiếp vào đường dẫn tụ tách ghép để làm giảm cộng hưởng của hệ thống nhưng làm giảm hiệu quả bỏ qua ở tần số cao. Phương pháp B bao gồm việc thêm một điện trở song song nhỏ trên hạt ferit cũng làm giảm cộng hưởng của hệ thống. Tuy nhiên, đặc tính suy giảm của bộ lọc bị giảm ở tần số cao. Hình 8 cho thấy đường cong trở kháng so với tần số của MPZ1608S101A có và không có điện trở song song 10 Ω. Đường cong nét đứt màu xanh lá cây nhạt là trở kháng tổng thể của hạt với điện trở 10 Ω song song. Trở kháng của tổ hợp hạt và điện trở giảm đáng kể và bị chi phối bởi điện trở 10 Ω. Tuy nhiên, tần số cắt tần 3,8 MHz cho hạt với điện trở song song 10 Ω thấp hơn nhiều so với tần số cắt tần của riêng hạt ở mức 40,3 MHz. Hạt xuất hiện trở kháng ở dải tần số thấp hơn nhiều, làm giảm Q để cải thiện hiệu suất giảm chấn.

Hình 8. (a) Biểu đồ MPZ1608S101A ZRX và (b) Biểu đồ MPZ1608S101A ZRX, chế độ xem phóng to.

Phương pháp C bao gồm việc thêm một tụ điện lớn (CDAMP) với một điện trở giảm chấn nối tiếp (RDAMP), đây thường là giải pháp tối ưu.

Việc bổ sung tụ điện và điện trở sẽ làm giảm cộng hưởng của hệ thống và không làm giảm hiệu quả bypass ở tần số cao. Việc áp dụng phương pháp này giúp tránh tiêu tán công suất quá mức trên điện trở do tụ điện chặn DC lớn. Tụ điện phải lớn hơn nhiều so với tổng của tất cả các tụ tách ghép, giúp giảm giá trị điện trở giảm chấn cần thiết. Trở kháng của tụ điện phải đủ nhỏ hơn điện trở giảm chấn ở tần số cộng hưởng để giảm hiện tượng đỉnh.

Hình 9 cho thấy đồ thị phổ đầu ra dương của ADP5071 với phương pháp giảm chấn C được triển khai trên mạch ứng dụng được hiển thị trong Hình 5. CDAMP và RDAMP được sử dụng lần lượt là tụ gốm 1 µF và điện trở SMD 2 Ω. Độ gợn sóng cơ bản ở 2,4 MHz giảm 5 dB so với mức tăng 10 dB được hiển thị trong Hình 9.

Hình 9. Đầu ra phổ của ADP5071 cùng với bộ lọc thông thấp dạng hạt và tụ điện với phương pháp giảm chấn C.

Nhìn chung, Phương pháp C là phương pháp tinh tế nhất và được thực hiện bằng cách thêm một điện trở nối tiếp với tụ điện gốm thay vì mua một tụ điện giảm chấn chuyên dụng đắt tiền. Các thiết kế an toàn nhất luôn bao gồm một điện trở có thể điều chỉnh trong quá trình tạo mẫu và có thể loại bỏ nếu không cần thiết. Nhược điểm duy nhất là chi phí linh kiện bổ sung và không gian bo mạch lớn hơn.

Phần kết luận

Bài viết này trình bày những điểm chính cần lưu ý khi sử dụng hạt ferit. Bài viết cũng trình bày chi tiết một mô hình mạch đơn giản mô phỏng hạt ferit. Kết quả mô phỏng cho thấy mối tương quan tốt giữa trở kháng thực tế đo được so với đáp ứng tần số ở dòng điện phân cực một chiều bằng không.

Bài viết này cũng thảo luận về ảnh hưởng của dòng điện phân cực DC lên đặc tính của hạt ferrite. Nó cho thấy dòng điện phân cực DC lớn hơn 20% dòng điện định mức có thể làm giảm đáng kể độ tự cảm của hạt. Dòng điện như vậy cũng có thể làm giảm trở kháng hiệu dụng của hạt và làm giảm khả năng lọc nhiễu điện từ (EMI). Khi sử dụng hạt ferrite trong đường ray nguồn với dòng điện phân cực DC, hãy đảm bảo dòng điện không gây bão hòa vật liệu ferrite và làm thay đổi đáng kể độ tự cảm.

Vì hạt ferrite có tính cảm, không nên sử dụng nó với tụ tách ghép Q cao nếu không cẩn thận. Làm như vậy có thể gây hại nhiều hơn lợi bằng cách tạo ra cộng hưởng không mong muốn trong mạch. Tuy nhiên, các phương pháp giảm chấn được đề xuất trong bài viết này cung cấp một giải pháp dễ dàng bằng cách sử dụng một tụ tách ghép lớn nối tiếp với một điện trở giảm chấn trên tải, do đó tránh được cộng hưởng không mong muốn. Việc sử dụng hạt ferrite đúng cách có thể là một cách hiệu quả và tiết kiệm chi phí để giảm nhiễu tần số cao và các xung động chuyển mạch.