EMC

フェライト・ビード・フィルタ・カリキュレータ

EMI抑制のためのフェライトビーズフィルタの効果、周波数でのインピーダンス、および挿入損失を計算

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公式

IL = 20×log₁₀(1 + Z_bead/R_L), Z_bead ≈ Z_100MHz × (f/100MHz)^0.5

IL— 挿入損失 (dB)

Z_bead— 周波数におけるビーズインピーダンス (Ω)

R_L— 負荷インピーダンス (Ω)

Z_100— 100 MHzでのビーズインピーダンス (Ω)

仕組み

フェライトビーズカリキュレータは、CISPR 32伝導エミッション準拠、USB/HDMI EMCフィルタリング、およびスイッチングレギュレータのノイズ低減に不可欠な電源および信号ラインのEMI抑制のための挿入損失を計算します。EMCのエンジニアはこれを使用して、電力効率を高めるために低DC抵抗（1オーム未満）を維持しながら、問題のある周波数（通常は30〜300 MHz）で10〜30 dBの減衰を実現しています。

村田製作所とTDKのアプリケーションノートによると、フェライトビーズは周波数に依存する損失インピーダンスをZ = R (f) + Jx (f) としています。エネルギーを蓄えて放出するインダクタとは異なり、フェライトビーズは磁気ヒステリシス損失によってノイズを熱として放散します。インピーダンスは、フェライトの特性周波数 (通常、電力線ビーズの場合は100 MHz、高速信号ビーズの場合は1 GHz) でピークに達し、材料の透磁率が低下するにつれて減少します。

挿入損失 IL = 20 x log10 (1 + Z_ビーズ/Z_負荷) dB。50 オームのシステムに 100 オームのビーズを使うと、IL = 20 x log10 (1 + 100/50) = 9.5 dB になります。CISPR 25 (車載EMC) によると、伝導エミッションは特定の周波数で6～20 dB抑える必要があります。そのため、問題のある周波数で回路インピーダンスの2〜10倍のインピーダンスを持つビーズを戦略的に選択する必要があります。

DC抵抗 (DCR) は電圧降下と電力損失の原因となります。P = I^2 x DCR です。2Aの0.5オームのビーズは、1V低下して2Wを消費します。これは3.3Vレールでは許容できません。高電流アプリケーションには、飽和することなく全負荷電流に耐える定格の低DCRビーズ (100mΩ未満) が必要です。村田製作所によると、定格DC電流では部分飽和によりビーズのインピーダンスが30～ 50% 低下します。

計算例

問題：5V/1Aの電源ラインで150MHzのEMIを抑制するには、フェライトビーズを選択してください。CISPR 22 のプリコンプライアンスでは、エミッションが制限値を 8 dB 上回っています。負荷インピーダンスは約 50 オーム。

ムラタのセレクションガイドによる解決策： 1.必要な減衰量:150 メガヘルツで 8 デシベル+6 デシベルマージン = 14 デシベル 2.IL = 20 x log10 (1+ Z/50) = 14 dB; 解法:Z/50 = 10^0.7-1 = 4; Z = 200 オーム (150 MHz) 3.< 200 mohm, I_rated >村田製作所/TDK のカタログで Z > 200 オーム (100 MHz)、DCR 1A を検索してください。 4.選択:BLM18PG221SN1 (100 MHzで220オーム、80オームのDCR、3A定格、0603パッケージ) 5.検証:150 MHz で、インピーダンスは約 180 オーム (チェックカーブ)、IL = 20 x log10 (1 + 180/50) = 13.2 dB 6.DC インパクト:電圧降下 = 1A x 0.08 オーム = 80 mV (5 ボルトの 1.6% — 許容値) 7.電力損失:1^2 x 0.08 = 80 mW (温度定格が 0603 であれば許容値)

結果:BLM18PG221 では、DC への影響を最小限に抑えながら 13 dB の減衰が得られます。14 dB が必要な場合は、2 つ目のビーズを追加してください。

実践的なヒント

✓ビーズのインピーダンスを回路のインピーダンスの2〜5倍に一致させると、10～14dBの減衰が得られます。比が高くなると、IL式あたりのリターンが小さくなります。50オームのシステムでは、100～250オームのビーズを使用してください。
✓フェライトビーズをノイズ源の近く (IC電源ピンまたはコネクタから10mm以内) に配置します。ビーズとソースの間のリードインダクタンスにより、ノイズがフィルタをバイパスできるようになっています (Johnson/Grahamによると)。
✓USB/HDMI信号ラインの場合：信号の劣化を防ぐために低容量のビーズ（<2 pF）を使用してください。USB-IFのガイドラインによると、容量が大きいとインピーダンスの不一致やアイクロージャの原因となります。

よくある間違い

✗問題が30MHzまたは500MHzの場合、100MHzのインピーダンスでビーズを選択すると、フェライトのインピーダンスは周波数帯域全体で10倍変化します。特定の問題周波数における製造元のインピーダンス対周波数曲線を必ず確認してください。
✗DC負荷電流での飽和は無視してください。村田製作所のデータによると、定格電流ではビーズのインピーダンスが30～ 50% 低下します。3A回路の場合は、規定のインピーダンスを維持するために定格4A以上のビーズを選択してください。
✗複数の中程度のビーズの代わりに1つの高インピーダンス・ビーズを使用する場合、自己共振容量と寄生容量により、300MHzを超えると単一ビーズの性能が制限されます。TDKのアプリケーションノートによると、直列に接続された2つの100オームビーズは、1つの220オームビーズよりも優れた場合がよくあります。

よくある質問

適切なフェライトビーズを選ぶにはどうすればいいですか？

Murataセレクションガイドによると、（1）EMCスキャンから問題のある周波数を特定し、（2）必要な減衰量（放射レベル-制限+6 dBマージン）を決定し、（3）IL式から必要なインピーダンスを計算します。（4）問題周波数でZ>が必要で、電圧降下にDCRが許容され、I_Ratedが負荷電流の1.3倍を超えるビーズを選択してください。インピーダンス曲線がご使用の周波数範囲をカバーしていることを確認してください。

フェライトビーズは高電流に対応できますか？

はい。パワーフェライトビーズの定格は1～10Aで、DCRは5～20mΩと低くなっています。TDK BLMシリーズによると、2512パッケージは30ミリオームのDCRで6Aを処理します。主な制約は飽和です。定格電流ではインピーダンスが 30 ～ 50% 低下します。5Aの負荷には、7Aの定格ビーズを選択してください。高電流ビーズは熱放散のためにコア体積が大きくなります。

フェライトビーズはすべての周波数で動作しますか？

有効範囲は通常 1 MHz から 1 GHz です。1 MHz 未満では、フェライトのインピーダンスが低すぎる (10 オーム未満) ため、有意な減衰量にはなりません。LC フィルタを使用してください。1 GHz を超えると透磁率が低下し、寄生容量がバイパス経路を形成します。村田製作所のデータによると、標準ビーズは100～300 MHzでピークに達し、GHzレンジのビーズ（フェライトの組成が異なる）は500 MHz～2 GHzでピークに達します。

フェライトビーズとインダクタの違いは？

インダクタは、エネルギーを蓄えたり放出したりする低損失のリアクティブ部品 (Q > 20) で、フィルタリングやエネルギー貯蔵に使用されます。フェライトビーズは、ノイズを反射するのではなく、熱として放散させるため、意図的に損失を出します (目標周波数でQ < 1)。フェライトビーズには意図的に損失が生じます (Q X は 50 MHz 以上)。電力変換にはインダクタ、EMI抑制にはビーズを使用してください。

挿入損失の計算方法を教えてください。

IL = 20 x log10 (1+ Z_Bead/Z_Load) dB例:100 オームビーズ、25 オーム負荷:IL = 20 x log10 (1 + 100/25) = 20 x log10 (5) = 14 dB。IL を最大にするには、DCR と飽和の要件を満たす最高の Z_ビーズを使用してください。注:式は抵抗負荷を想定していますが、無効負荷では複素インピーダンス解析が必要です。

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