Optymalizacja układów elektronicznych- rola rdzeni ferrytowych w filtracji EMI i zasilaniu

Rdzenie ferrytowe są elementem w zaawansowanych układach elektronicznych, szczególnie w kontekście eliminacji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) oraz optymalizacji układów zasilania. Ich właściwości magnetyczne i szerokie zastosowania czynią je nieodzownymi w projektach związanych z systemami na PCB. Współczesne wymagania miniaturyzacji urządzeń elektronicznych oraz ich zwiększonej wydajności wymuszają stosowanie zaawansowanych technologii filtracyjnych, w których rdzenie ferrytowe odgrywają ważną rolę.

Wyzwania w filtracji EMI

Zakłócenia elektromagnetyczne stanowią poważne zagrożenie dla poprawnego działania układów elektronicznych, szczególnie w środowiskach o dużej gęstości urządzeń. Filtry wykorzystujące rdzenie ferrytowe pozwalają na efektywne tłumienie zakłóceń, eliminując ich wpływ na wrażliwe komponenty. Wyzwania w tej dziedzinie obejmują spełnienie norm EMC (Electromagnetic Compatibility), które wymagają zastosowania elementów skutecznie redukujących zakłócenia przewodzone i promieniowane. Miniaturyzacja komponentów filtracyjnych jest niezbędna w nowoczesnych urządzeniach, takich jak IoT czy elektronika medyczna, które wymagają kompaktowych rozwiązań bez kompromisów w efektywności. Dodatkowo, nowoczesne urządzenia generują zakłócenia w szerokim zakresie częstotliwości, co wymusza stosowanie rdzeni o odpowiednio dobranych właściwościach magnetycznych.

Rdzenie ferrytowe- Podstawy technologiczne

Rdzenie ferrytowe to materiały ceramiczne charakteryzujące się wysoką opornością elektryczną oraz odpowiednimi właściwościami magnetycznymi. Dzięki temu znajdują zastosowanie w szeregu aplikacji filtracyjnych i energetycznych. Wyróżnia się dwie główne klasy ferrytów: miękkie i twarde. W kontekście filtracji EMI najczęściej stosowane są ferryty miękkie (np. MnZn, NiZn), które oferują niskie straty histerezowe. Rdzenie mogą przyjmować różne formy, takie jak toroidy, kształtki E lub pierścienie o specjalnych profilach, co wpływa na ich właściwości magnetyczne i efektywność tłumienia.

Rdzenie ferrytowe w filtrach EMI

Filtry EMI z rdzeniami ferrytowymi są stosowane do eliminacji zakłóceń przewodzonych zarówno w linii zasilania, jak i w liniach sygnałowych. Ferrytowe koraliki tłumiące to miniaturowe elementy montowane bezpośrednio na ścieżkach PCB, które tłumią zakłócenia w wysokich częstotliwościach, zachowując integralność sygnału w niskich zakresach. Filtry LC z rdzeniami ferrytowymi łączą induktory na rdzeniach ferrytowych z kondensatorami, tworząc skuteczne filtry dolnoprzepustowe, które izolują urządzenie od szumów pochodzących z sieci zasilającej. Rdzenie ferrytowe są również stosowane w przewodach zasilających i sygnałowych w celu tłumienia zakłóceń wprowadzanych przez środowisko zewnętrzne.

Optymalizacja układów zasilania za pomocą rdzeni ferrytowych

Rdzenie ferrytowe znajdują zastosowanie także w transformatorach i przetwornicach napięcia, poprawiając ich efektywność oraz stabilność. Transformery impulsowe dzięki rdzeniom ferrytowym mogą pracować w wysokich częstotliwościach, co pozwala na zmniejszenie ich rozmiarów i zwiększenie wydajności energetycznej. Induktory z rdzeniami ferrytowymi są istotne w obniżaniu strat mocy oraz poprawie charakterystyki dynamicznej przetwornic DC-DC. Optymalizacja projektów wymaga stosowania rdzeni o odpowiednich parametrach, takich jak wysoka wartość gęstości strumienia nasycenia, aby zapobiec nasyceniu przy dużych prądach.

Praktyczne aspekty doboru rdzeni ferrytowych

Podczas projektowania filtrów i układów zasilania z wykorzystaniem rdzeni ferrytowych inżynierowie muszą uwzględniać istotne parametry, takie jak częstotliwość pracy oraz straty energetyczne. Odpowiedni dobór materiału ferrytowego zależy od zakresu częstotliwości zakłóceń lub sygnałów zasilających. Miniaturyzacja urządzeń wymaga stosowania kompaktowych rdzeni o wysokiej wydajności magnetycznej.

Przyszłe trendy w zastosowaniach rdzeni ferrytowych

Postęp technologiczny w dziedzinie materiałów i technologii produkcji otwiera nowe możliwości zastosowań rdzeni ferrytowych. Badania nad nanostrukturalnymi ferrytami i kompozytami prowadzą do produkcji rdzeni o lepszych parametrach tłumienia i niższych stratach. W urządzeniach IoT rdzenie muszą spełniać wymagania niewielkich wymiarów przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej efektywności filtracji EMI. Coraz częściej integracja funkcji magnetycznych na poziomie chipu zmienia sposób wykorzystania rdzeni ferrytowych.

Podsumowanie

Rdzenie ferrytowe odgrywają ważną rolę w eliminacji zakłóceń EMI oraz optymalizacji układów zasilania. Ich zastosowanie w projektach badawczo-rozwojowych umożliwia tworzenie bardziej niezawodnych i wydajnych urządzeń elektronicznych. Dobór odpowiednich rdzeni dostosowanych do specyficznych wymagań projektu jest jednym z najważniejszych elementów procesu projektowania w R&D.

Bibliografia:

[1] https://www.coilmaster.com.tw/pl/product/C2LRU100BLF.html

[2] https://hilelectronic.com/pl/design-power-pcb/

[3] https://resources.altium.com/pl/p/how-do-ferrite-beads-work-and-how-do-you-choose-right-one

[4] https://propcb.pl/technologie/

[5] https://ep.com.pl/rynek/wybor-konstruktora/14534-masa-problemow-z-obwodami-zasilania-na-plytkach-pcb-prawidlowe-prowadzenie-obwodu-masy-na-plytkach-pcb-ukladow-cyfrowo-analogowych

[6] https://www.instalacjebudowlane.pl/9256-26-76-wentylatory-ec-do-wydajnego-chlodzenia-w-centrach-danych.html

[7] https://elektronikab2b.pl/technika/54036-projektowanie-pcb-dla-ukladow-duzej-mocy

[8] https://resources.altium.com/pl/p/what-return-current-path-pcb