Wie Sie in Ihrem Design einen Ferritkern zur Reduzierung elektromagnetischer Störungen verwenden
Viele von uns wissen nur wenig über elektromagnetische Störungen (auch EMI genannt). Aus diesem Grund schreibe ich schon länger zu Themen wie einer korrekten Erdung, Wechselstrom-/Gleichstrom-Schaltungen, Hochgeschwindigkeits-Routing. Der nächste Punkt auf meiner Liste ist, wie man elektromagnetische Störungen mithilfe von Ferritkernen reduzieren kann. Ferritkerne können etwas knifflig sein. Daher ist es wichtig, zunächst die Theorie dahinter zu verstehen. Die meisten elektronischen Bauteile funktionieren im Wesentlichen nach dem Plug-and-Play-Prinzip.
Ferrit-LC-Filter
Entwickler sind oft versucht, Ferritkerne als Tiefpassfilter zu betrachten. Sie blockieren hohe Frequenzen, allerdings nur in einem bestimmten Frequenzband. Oberhalb dieses Bands kommt die inhärente Kapazität ins Spiel. Während ein Kern selbst nicht als Tiefpassfilter fungieren kann, ist dies in Kombination mit einem Bypass-Kondensator durchaus möglich. So bekommen Sie etwas, was im Wesentlichen einem LC-Filter (Spule und Kondensator) entspricht. Ein großes Problem, das bei der Verwendung eines Ferritkerns im Auge behalten werden muss, ist die LC-Resonanz.
Jedoch das Wichtigste zuerst: Wenn Sie einen Ferritkern auf der Stromversorgungs-Leitung Ihres Schaltkreises verwenden, benötigen Sie einen Bypass-Kondensator. Bei niedrigen Frequenzen wirken Ferritkerne nämlich wie Spulen, die Änderungen des Stroms entgegenwirken. Sobald also Ihre integrierte Schaltung sprunghaft mehr Strom aufnehmen möchte, wird der Ferritkern diesem Anstieg entgegenwirken und so den Betrieb Ihrer Schaltung möglicherweise behindern. Wir benötigen also einen Bypass-Kondensator, um Ladung zu speichern, die diese Spitzen bereitstellen kann. Davon abgesehen sind Bypass-Kondensatoren generell sinnvoll.
Sobald Sie den Kondensator und den Ferritkern an Ort und Stelle haben, können Sie mit dem Ausfiltern hoher Frequenzen beginnen. Ferritkerne haben einige Vorteile gegenüber der normalen, in einem LC-Filter verwendeten Spule. Sie bieten eine steilere Roll-off-Charakteristik bei niedrigeren Frequenzen. Dazu verfügen sie über einen inhärenten Widerstand, was hilft, mögliche Resonanzen zu dämpfen. Obwohl sie ein gewisses Maß an Dämpfungsfähigkeiten haben, können dennoch nach wie vor LC-Resonanzen auftreten. Ein besonders großes Risiko besteht in diesem Zusammenhang bei der Verwendung von großen Kondensatoren. Falls tatsächlich Resonanzen auftreten, kann dies zu einer Verstärkung von bis zu 10 dB führen. Achten Sie daher darauf, Ihre Filter für die Vermeidung von Resonanzen zu konzipieren.
Filterung von Signalen mit Ferritkern und Bypass-Kondensator.
Trennung von Masse- und Stromversorgungsflächen im Mixed-Signal-Bereich
Eine der primären Varianten, wie sich elektromagnetische Störungen in einer Schaltung ausbreiten können, ist über die Masse- und Stromversorgungsflächen. Besonders häufig ist dies in Mixed-Signal-Schaltkreisen zu beobachten, wo eine zentrale Masse-/Stromversorgungsfläche für sowohl analoge als auch digitale Signale verwendet wird. Es ist daher am besten, separate Masse- und Stromversorgungsflächen zu verwenden. Jedoch müssen sich dabei die Massen auf die gleiche relative Spannung beziehen. Diese Probleme verursachen ein ziemliches Dilemma – eines, zu dessen Lösung Ferritkerne beitragen können.
Ferritkerne können eingesetzt werden, um analoge und digitale Masse-/Stromversorgungsflächen zu verbinden. Mit dieser Methode beziehen sich beide Flächen noch immer auf die gleiche Spannung, sind dabei aber voneinander isoliert. Der Kern kann Rauschen blockieren, das normalerweise direkt von einer Fläche zur anderen übertragen würde.
Allgemeine Rauschfilterung
Masse- und Stromversorgungsflächen sind nicht die einzigen Komponenten Ihrer Schaltung, bei denen Rauschprobleme auftreten können. Rauschen kann ebenso von digitalen Bauteilen, einem Gleichspannungswandler oder dem Netzkabel herrühren. Ferritkerne können helfen, Rauschen aus all diesen Quellen herauszufiltern.
Im Fall rauschender Bauteile können Sie Ferritkerne nutzen, um so viele davon zu isolieren, wie Sie möchten. Sie werden wahrscheinlich Bypass-Kondensatoren für jede Ihrer digitalen iICs nutzen, sodass mit dem Hinzufügen der Ferritkerne die zuvor erwähnten LC-Filter entstehen. Diese Filter werden das Rauschen, das von den entsprechenden Bauteilen herrührt, abschwächen und dabei helfen, Ihre Schaltung frei von elektromagnetischen Störungen zu halten.
Einige analoge Schaltkreise werden von einem geschalteten Gleichspannungswandler versorgt. Eventuell machen Sie sich Sorgen, dass diese Netzteile Rauschen in Ihr System eintragen. Keine Sorgen bereitet Ihnen wahrscheinlich das Rauschen, das von den analogen Chips ausgesendet wird. In einem solchen Fall können Sie einen Ferritkern in Reihe mit dem Gleichspannungswandler verbauen und so Ihre analogen Schaltungen vor elektromagnetischen Störungen auf der Stromversorgung isolieren.
Ferritkerne werden oft als Filter für die Stromversorgung verwendet.
Sorgen bereitet Ihnen möglicherweise das Rauschen, das von außerhalb Ihrer Leiterplattekommt. Oft werden elektromagnetische Störungen auf einem PCB von der Stromquelle verursacht. Ferritkerne eignen sich ideal, um diese Art von Rauschen herauszufiltern. In der Tat ist dies ihr häufigster Verwendungszweck.
Ob Ihre PCBs in den Weltraum aufbrechen oder einfach hier auf der Erde bleiben, müssen sie doch stets vor elektromagnetischen Störungen geschützt werden. Ferritkerne können dies leisten: entweder durch Abschwächung eines bestimmten Bandes hoher Frequenzen oder in der Rolle als LC-Filter in Kombination mit einem Bypass-Kondensator. Falls Sie einen Ferritkern als Teil eines LC-Filters verwenden, sollten Sie auf LC-Resonanzen achten. Sie können Ferritkerne auch zur Trennung von Masse- und Stromversorgungsflächen in Mixed-Signal-Schaltungen einsetzen und ganz allgemein zum Ausfiltern von Rauschen nutzen.
Nun, da Sie wissen, wie sich elektromagnetische Störungen in Ihrer Schaltung reduzieren lassen, ist es an der Zeit, Ihre Platine zu konzipieren. Eine großartige PCB-Design-Software wie Altium wird Ihnen bei der praktischen Umsetzung Ihrer störungsfreien Theorien unterstützen. Altium verfügt über eine breite Palette fortschrittlicher Tools und Dokumentationen, um sicherzustellen, dass Sie auf alle Eventualitäten vorbereitet sind.
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