Экраны для подавления электромагнитных помех: понимание основ и предложение компании TDK

Опубликовано в номере:
PDF версия
Цель данной статьи — помочь читателю сделать процесс выбора экранирующих материалов для РЭА более осознанным, простым и эффективным, особенно для решения проблем подавления электромагнитных помех в условиях ограниченного пространства. Статья написана на базе публикаций [1, 2] компании TDK, а детально разобраться в проблеме выполнения требований по ЭМС вам поможет серия материалов под общим названием «Электромагнитная совместимость: проблема, от которой не уйти», начатая с публикации в [3].

Введение

Еще на заре развития радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) экранирование стало ее неотъемлемой частью. Однако, имея на выбор множество различных экранирующих материалов, нужно не слепо их использовать, а выбирать те, что будут наиболее эффективными. Кроме того, что здесь необходимо выделять каскады, генерирующие электромагнитные помехи (ЭМП), и каскады, чувствительные не только к ним, но и к помехам от сторонних источников, на все надо смотреть еще и с точки зрения конструкции конечного продукта, то есть решить далеко не простую проблему электромагнитной совместимости (ЭМС). Для этого следует знать, как те или иные характеристики материалов влияют на подавление (ЭМП), поскольку неправильный выбор материала может свести на нет все усилия, затраченные на разработку проекта.

Многие из читателей, скорее всего, слышали о листовых магнитомягких материалах для «подавления электромагнитных помех» или материалах, используемых для изготовления «радиочастотных антенн». Эти материалы представляют собой тонкие гибкие листы. Возможно, вы даже видели их в лаборатории. Обычно они черного или серого цвета, но иногда выглядят весьма экзотично, скажем так: серебристо, и кажется, что они взяты из Зоны 51, где, как многие уверены, хранятся части таинственной летающей тарелки, разбившейся в результате Розуэлльского инцидента в штате Нью-Мексико (США) в 1947 году. Некоторым довелось подержать такие материалы в руках, и/или, возможно, вы использовали их, но действительно ли мы знаем, как они работают? Как выбрать для решения конкретной проблемы ЭМС наилучший или как минимум оптимальный материал?

Современные листовые магнитомягкие материалы изготавливаются из металлических порошковых, ферритовых в пластическом материале или спеченных по особой технологии ферритовых материалов на гибкой подложке и металлизированных материалов. Причем материал каждого поставщика уникален, и каждый поставщик старается представить данные о сильных сторонах своих материалов и целевых приложениях. Все это предлагается самыми разными способами, не исключая и чисто маркетинговых ходов, что порой оставляет предполагаемого пользователя один на один с его проблемой и целым рядом вопросов. Ответить на них и является основной задачей статьи.

Тонкие гибкие листы для магнитного экранирования используются в современной РЭА для самых различных целей. Среди них можно выделить подавление нежелательных ЭМП (причем, как уже было сказано, не только излучаемых, но и внешних), формирование и направление магнитного поля в приложениях NFC (Near field communication, NFC — технология беспроводной передачи данных малого радиуса действия, которая предоставляет возможность обмена данными между устройствами, находящимися на расстоянии около 10 см) и метки радиочастотной идентификации RFID (Radio Frequency Identification), обеспечение экранирования и оптимизацию характеристик и поведения катушек в приложениях на основе индуктивной магнитной связи и магнитного резонанса, уменьшение потерь на вихревые токи для других резонансных приложений, использование в качестве средств защиты от воздействия электростатического разряда и т. д.

Итак, в настоящее время доступен большой выбор интересующих нас в рамках предлагаемой статьи материалов, на которые имеются спецификации с таблицами и графиками. Но без глубокого знания материаловедения или большого личного опыта выбор правильного материала для конкретного приложения и решений без знания особенностей его применения может стать проблемой.

В качестве примера — случай из личной практики. В одном изделии с чувствительным широкодиапазонным приемником не от хорошей жизни применялся магнитный экран из пермаллоя (дело было в конце 1970-х), закрывающий тороидальный трансформатор блока питания. В один прекрасный день в цехе пошел массовый брак, вызванный падением чувствительности приемника. Причем отдельно проверенные приемники имели заданную чувствительность с запасом. Причиной оказались ЭМП, однако экран был установлен, и установлен правильно, без щелей, остальные блоки помех не генерировали. Но в составе изделия помеха неизвестного происхождения просто забивала входной каскад приемника, и его чувствительность падала. Причина была проста: экран, закрывающий трансформатор, забыли отжечь и его помехоподавляющие свойства были нарушены.

Каждое приложение может иметь различный набор ключевых параметров, и вам придется решать, какие частоты должны быть ослаблены или какие частоты должны иметь самые низкие потери. И кроме того, необходимо все это реализовать конструктивно с минимальными затратами. А для этого — знать, как поведет себя тот или иной материал и как его правильно использовать.

 

Начнем с азов

Листы из магнитомягких материалов (в общем случае — ферритов) поглощают энергию излучаемого шума и преобразуют ее в тепло. Поясним принцип действия этих листов. В значительной мере подавление ферритом, находящимся в порошкообразном виде в пластике, определяет такой параметр, как магнитная проницаемость, обозначаемый как µ. Магнитная проницаемость определяет скорость нарастания плотности магнитного потока (B) в магнитном веществе в магнитном поле (H). Другими словами, магнитная проницаемость является мерой того, насколько легко магнитный поток проходит сквозь вещество (магнетизирует его), и описывается следующим уравнением (здесь и далее сохранены обозначения, принятые в [1, 2], с соответствующими пояснениями):

µ = B/H.          (1)

Особенностью магнитомягких материалов является то, что они обладают высокой магнитной проницаемостью и малой коэрцитивной силой. Этот параметр определяет значение напряженности магнитного поля, необходимое для полного размагничивания ферро-­ или ферримагнитного вещества, то есть остаточную намагниченность, которую необходимо преодолевать с внешней затратой энергии. Соответственно, под воздействием переменного магнитного поля направление намагничивания легко изменяется на обратное, что востребовано в рассматриваемом нами применении этих материалов. Однако если частота переменного магнитного поля очень высока, изменение плотности магнитного потока запаздывает относительно изменений магнитного поля, приводя к возникновению сдвига по фазе δ; для того чтобы понять проблемы, можно использовать следующее уравнение, описывающее магнитные свойства материала:

µ = µ´–jµ˝ = |µ´|cosδ –j|µ˝|sinδ,      (2)

а потери в материале описываются как:

µ´/µ˝ = tgδ,                          (3)

где tgδ — коэффициент потерь; µ´ — действительная часть комплексной магнитной проницаемости материала (следовательно, это характеристика магнитного материала, связанная с индуктивностью); µ˝ — ее мнимая часть и относится к потерям (сопротивлению) материала и является функцией частоты и фазового сдвига на уровне зерен материала. Если δ = 0, то речь идет о магнитной проницаемости при прохождении постоянного тока, но по мере увеличения частоты в случае переменного тока δ тоже увеличивается, а проницаемость падает. В общем, магнитная проницаемость зависит как от свойств вещества, так и от величины и направления магнитного поля для анизотропных веществ (и, кроме того, от температуры, давления и т. д.).

Для приложений, цель которых заключается в подавления электромагнитных помех, справедливо следующее:

  • Более высокие значения µ´ обеспечивают лучшие характеристики экранирования за счет удержания или поглощения магнитной составляющей поля (H).
  • Более высокие значения µ˝ обеспечивают лучшее подавление/ослабление ЭМП за счет потерь в материале.

Комплексная магнитная проницаемость µ определяет способность материала поддерживать формирование магнитного поля внутри себя и поглощать магнитный поток. Следовательно, наличие большего магнитного потока позволяет материалу с более высоким µ´ удерживать больше нежелательного излучаемого магнитного поля внутри магнитного материала и вдали от чувствительных областей. Когда же более высокие значения имеет µ˝, то создается более резистивный путь для любого магнитного поля, проходящего через материал, и это позволяет нежелательному шуму магнитного поля поглощаться и преобразовываться в тепло. Поскольку каждый материал по своему составу уникален, то его плотность, а также размер и форма внутреннего зерна будут влиять как на µ´, так и на µ˝.

Здесь используется еще один показатель — добротность, обозначаемый как Q. Добротность является показателем качества материала и описывает его свойства в части накопления энергии относительно потерь в материале. Добротность связана как с µ´, так и с µ˝, и определяется как:

Q = µ´/µ˝.                         (4)

Для приложений, в которых решается проблема подавления электромагнитных помех, обычно выбирают материал с низкой добротностью с максимальными потерями на проблемных частотах, и таким образом увеличивается их затухание. Это контрастирует с устройствами, использующими технологии NFC/RFID, и другими аналогичными резонансными системами электромагнитной связи с низким энергопотреблением. Здесь акцент делается на материалы с высокой добротностью. Исходя из сказанного, разработчику, для того чтобы выбрать наиболее подходящий материал, крайне важно иметь графики, описывающие поведение µ´ и µ˝ в зависимости от частоты. Примеры таких графиков для ряда материалов компании TDK показаны на рис. 1.

Графики, иллюстрирующие зависимость значения µ´ и µ˝ от частоты переменного магнитного поля, для различных гибких ферритовых материалов компании TDK

Рис. 1. Графики, иллюстрирующие зависимость значения µ´ и µ˝ от частоты переменного магнитного поля, для различных гибких ферритовых материалов компании TDK

Как видно из приведенных на рис. 1 графиков, поведение материалов изменяется от низких потерь и высокой добротности в диапазоне 1 МГц и до высоких потерь (за это отвечает µ˝) и низкой добротности, а следовательно, высокого затухания, начиная с области частот 2–4 МГц и продолжающегося до области 2–3 ГГц. Обычно столь широкий спектр затухания не требуется (нормированная по излучаемым ЭМП, согласно стандартам CISPR, область частот находится в пределах 30 МГц – 1 ГГц [3], но иногда необходимо подавление или защита от ЭМП и в более высокочастотной области), поэтому пользователь может сосредоточиться на выборе лучшего материала на каждой отдельной частоте, вызывающей у него те или иные проблемы в решении вопросов ЭМС.

 

Электрическая (E) и магнитная (H) составляющая ЭМП

Другой ключевой областью являются различия в источниках и воздействии напряженности магнитного (H) и электрического (E) полей. Напряженность магнитного поля создают индуктивные элементы, например, наиболее общий случай — силовой дроссель, трансформатор и катушки фильтров импульсных источников питания. И это лишь один из множества вариантов, поскольку индуктивность имеет любой проводник. Катушка индуктивности обладает магнитодвижущей силой — это характеристика способности источников магнитного поля электрических токов создавать магнитные потоки пропорционально произведению числа витков (N) на ток катушки (I) в амперах и определятся в ампер-витках, а создаваемая ею напряженность магнитного поля (имеется в виду внутри катушки) в общем случае определятся как произведение магнитодвижущей силы на длину катушки (l) в метрах и измеряется в А/м, являясь «магнитной» аналогией напряженности электрического поля:

H = N×I/l.                           (5)

Как правило, число витков в катушке индуктивности не указывается поставщиками. Таким образом, пользователь не всегда знает истинную напряженность поля H. Для силовых приложений, которые используют большие токи, они, что естественно, создают сильные предсказуемые магнитные поля. В свою очередь, такие поля создают больший магнитный поток — магнитную индукцию, обозначаемую как B на типичной кривой намагниченности B-H (ее еще называют «петля магнитного гистерезиса», именно она и определяет коэрцитивную силу), — воздействующий на магнитный экран.

Чем сильнее магнитное поле, тем лучше должно быть экранирование. Это может быть достигнуто либо путем увеличения µ´ в уравнении (1), чтобы увеличить магнитный поток в экране, либо путем увеличения физической толщины магнитного экрана, поскольку зависимость поглощения прямо пропорционально зависит от произведения:

µ´×t,                                     (6)

где µ´, как уже было сказано, — это действительная часть магнитной проницаемости материала, а t — толщина магнитного листа.

На рис. 1 кривая красного цвета, обозначенная как IFL16, которая имеет наибольшее затухание, также обладает и самой высокой магнитной проницаемостью (µ´ = 220). Это позволяет материалу лучше удерживать в себе энергию магнитного потока. Влияние толщины экрана на его, как сейчас принято говорить, производительность показано на рис. 2, а почему графиков два, будет объяснено позже.

Частотная зависимость проницаемости листов серии IFL компании TDK

Рис. 2. Частотная зависимость проницаемости листов серии IFL компании TDK.
Показаны кривые ослабления дальнего поля:
а) излучения;
б) ослабления в условиях ближнего поля

На рис. 2 цифры «­200», «­100», «­050» и «­025» представляют собой соответствующие толщины в микронах (мкм), так, например, «­100» — это толщина листа 100 мкм. Большая толщина экрана также означает, что в нем присутствует больше массы магнитомягкого материала и он может поглощать более высокие значения магнитного потока. В некоторых решениях по подавлению ЭМП необходимо уделять внимание значению плотности магнитного потока (B) в материале. Дело в том, что при выборе магнитного экрана нам необходимо убедиться, что его магнитомягкий материал не насыщается и не теряет своей экранирующей эффективности из-за сниженных характеристик затухания и, таким образом, не пропускает ЭМП выше предельно допустимого значения.

Для электрических полей вектор напряженности E — это силовая характеристика электрического поля, она равна силе, с которой поле действует на единичный положительный заряд, размещенный в указанной точке, при этом направления силы и напряженности совпадают. Математическое определение напряженности, измеряемой в вольтах на метр, записывается так:

E = F/Q = kQ/D2 = V/D,                                        (7)

где E — напряженность электрического поля изначально в ньютонах на кулон (Н/Кл); F — сила, с которой электрическое поле действует на неподвижный, «пробный», точечный заряд Q, который размещают в рассматриваемой точке поля, в ньютонах (Н); Q — объем заряда в кулонах (Кл); k — электростатическая (кулоновская) постоянная, равная 8,99×109 Нм2/Кл2; D — расстояние между источником заряда и точкой отсчета в метрах; V — напряжение в вольтах на интересующем нас расстоянии D, вот отсюда и интересующие нас вольты на метр (В/м).

Тогда очевидно, что чем выше напряжение, тем сильнее напряженность электрического поля. Одним из ключевых применений листовых материалов, используемых для подавления ЭСП, является снижение напряжения, наводимого на другие компоненты, расположенные в непосредственной близости от источника напряжения.

Вернемся к вопросу: почему на рис. 2 показано два набора кривых ослабления? В тех случаях, когда кто-то пытается защититься от воздействия ЭМП или подавить излучение, создаваемое проводником на печатной плате, гибкой плате, ленточном кабеле или другой среде прохождения сигнала, листы из магнитомягкого материала накладываются непосредственно поверх этих интересующих нас электропроводящих трасс или проводников.

Кривые, показанные на рис. 2а, представляют собой модуль полного сопротивления (импеданса) |Z| линии передачи. Поскольку добавление магнитного экрана увеличивает индуктивность (L), индуктивное сопротивление XL = 2πfL повышается с частотой и становится большей частью полного импеданса. Следовательно, затухание продолжает увеличиваться до резонансной частоты — между 1 и 2 ГГц, как это и показано на рис. 2а для красной кривой (обозначено IFL10M‑200). Этот альтернативный вариант размещения катушки индуктивности, ферритовой бусинки или фильтра непосредственно на пути прохождения сигнала избавляет нас от добавки последовательного сопротивления по постоянному току, что в целом ряде случаев может быть крайне нежелательным.

Значения затухания в так называемой области ближнего поля, показанные на рис. 2б, являются значениями «экранированного» приложения. Листы из магнитомягкого материала используются для блокировки и/или поглощения нежелательных электромагнитных сигналов и обеспечения изоляции по полю. Однако этот подход не должен быть непосредственно смежным с областью, нуждающейся в защите от воздействия или излучения ЭМП.

 

Влияние температуры

При перегреве поведение ферритового материала может измениться. Соответственно, автомобильным, промышленным и другим подобным приложениям, для которых характерно влияние высоких температур на свойства материала магнитного экрана, следует уделить особое внимание. Здесь мы имеем три важные области: µ´, B и температура Кюри (Tc). С ростом температуры µ´ медленно увеличивается, однако при этом значение плотности магнитного потока B имеет тенденцию уменьшаться, что будет влиять на то, сколько магнитного потока может содержаться в магнитном материале. Если значение B существенно снижается, то производительность экрана в части подавления ЭМП будет изменена.

Что касается точки Кюри, она может стать критической, если магнитные экраны используются в условиях высокой температуры окружающей среды. Общая температура экрана будет равна росту температуры окружающей среды плюс собственная температура вследствие поглощения ЭМП для ее затухания. Если температура Кюри будет превышена, магнитные свойства материала могут быть навсегда потеряны, а производительность экрана будет серьезно нарушена.

 

Поглощение и отражение

При наличии физических ограничений на толщину экрана подавления ЭМП разработчику необходимо решить, следует жертвовать характеристиками экранирования (с более тонким экранирующим материалом), рассмотреть другие материалы с лучшими характеристиками или обратиться к другому подходу к экранированию — например, с использованием для экранирования металлического экрана.

Как уже указывалось ранее (5), применение более тонкого экрана приведет к меньшему затуханию и позволит пройти через экран более высокому уровню ЭМП, что создаст проблемы в работе рядом расположенных каскадов и при сертификации, которая в большинстве случаев неизбежна и о ней нужно думать не потом, а сейчас [3] — дешевле выйдет. Проникновение ЭМП через экран зависит от частоты и ее уровня, а ее ослабление даже на несколько децибел поможет вам перейти границу несоответствия требованиям стандартов по ЭМС и спать со спокойной совестью.

Еще одна проблема, связанная с большей энергией ЭМП, заключается в том, что если металл находится на другой стороне магнитного экрана, то эта энергия на поверхности металла может привести к потерям на вихревые токи и вызвать трудности с нагревом. Это особенно верно для приложений типа импульсных преобразователей энергии высокой мощности. Они создают большой уровень ЭМП не только на основных рабочих частотах преобразования и их гармониках, но и на частотах на порядки выше из-за переходных процессов — звона, — возникающих при включении/выключении силового ключа. С последними первоначально нужно бороться на уровне схемотехники [5].

Для более новых технологий импульсных источников питания, в которых используются гораздо более высокие частоты преобразования и напряжения и, соответственно, генерируются более сильные электрические поля, например в преобразователях на нитрид-галлиевых (GaN) и карбид-кремниевых (SiC) ключах, потенциальный звон находится на гораздо более высоком уровне и затухает в течение времени, более длительного в процентном отношении к периоду рабочего цикла. Когда насыщение не является проблемой, но все же требуется более высокое затухание, разработчик должен уделять больше внимания материалу с более высокими потерями, то есть более высоким µ˝, а не более высоким значением µ´.

При этом нельзя забывать, что на материал, который будет использоваться, и на то, как его нужно использовать, большое влияние оказывает частота. На рис. 2а все материалы, показанные на графиках, полностью теряют свои свойства в части затухания на частоте, равной примерно 1 ГГц. Если проблема ЭМП находится выше 1 ГГц, то разработчик может быть вынужден использовать гибридный материал или другой специальный материал, позволяющий добиться некоторого ослабления высокочастотной ЭМП. Ниже частоты 1 ГГц разработчик должен будет посмотреть на данные, представленные на рис. 1 и 2, или на что-то им подобное.

Стоимость также становится проблемой и должна быть принята во внимание. Очевидно, чем толще материал, тем выше его стоимость. Это также может иметь место при переходе к материалам с более высокими характеристиками. Высококачественные, экзотические, гибридные материалы всегда будут дороже. Но иногда у разработчика просто нет другого выбора, кроме как использовать наиболее эффективный материал, и стоимость становится меньшей проблемой по сравнению с основной задачей — завершением проекта.

 

Дополнительные соображения

Многие разработчики РЭА предпочитают размещать решение для подавления ЭМП прямо над схемой или накладывать его на некоторые ее части. Это было «нормой» для листов из магнитомягких материалов, поскольку они обычно изготавливаются из непроводящего феррита или имеют непроводящую поверхность. С металлическими экранами всегда все было понятно: они имели нужную высоту, наглухо прикрывая требующий экранирования каскад.

Теперь, используя специальные гибридные или металлизированные магнитные листы, разработчик должен уделять внимание обеспечению того, чтобы для подавления ЭМП при размещении листа с токопроводящей поверхностью в схеме не создавались короткие замыкания и через него не соединялись между собой различные компоненты, вызывая сбои в функционировании. Сегодня, стремясь гарантировать, что токопроводящая поверхность не будет открыта, многие поставщики покрывают экранирующие материалы непроводящим полимерным слоем или предлагают альтернативные укладки слоев магнитного экрана.

Если проектировщику необходимо установить электрический контакт с экраном, то существует вариант и для такого подхода, особенно это важно для конфигураций с заземлением. Если магнитный экран должен быть размещен непосредственно над компонентами или на нижней стороне металлического коробчатого экрана, то он может не иметь достаточного зазора с дополнительным экраном для подавления ЭМП способом, который обсуждался выше. В таком случае для обеспечения защиты можно использовать магнитный экран с неизолированным токопроводящим слоем, предлагаемый компанией TDK.

 

Цельнометаллические экраны и гибридные материалы

Один из альтернативных подходов — металлические экраны в виде «коробочек», размещаемые над критическими участками печатной платы и/или компонентами с высокой восприимчивостью к электромагнитным помехам или теми, которые могут быть источником шума. Это довольно распространенный метод подавления ЭМП, часто используемый в технике высоких частот. Хотя часть такой нежелательной помехи поглощается металлом, ее большой процент фактически отражается туда, откуда она идет. Чтобы понять этот процесс, требуется более тщательный анализ и отдельная статья.

В отличие от металлических экранов, одно из основных преимуществ ферритовых материалов заключается в их способности фактически поглощать энергию ЭМП и удалять ее из контура окружающей среды, что не могут сделать металлические экраны. Следовательно, для приложений с металлическими экранами, которые накладываются на компоненты, создающие внутреннюю ЭМП, добавление на внутренней стороне металла слоя магнитомягкого материала может эффективнее решить проблемы ЭМС.

В некоторых сценариях бывает просто недостаточно толщины, чтобы ослабить ЭМП до необходимого уровня с помощью только магнитного экрана. Тогда хорошим выбором становятся гибридные материалы, которые представляют собой листы из магнитомягких материалов с металлизированным слоем на тыльной стороне. Подобный подход дает два слоя поглощения при прохождении ЭМП через ферритовый слой: сначала падающий на металлический слой, а затем отраженный от него. Это создает удвоение на затухание плюс преимущество наличия клетки Фарадея, сформированной металлическим слоем, что также увеличивает затухание. Эффект от использования коробчатого металлического экрана с ферритовым слоем показан на рис. 3.

Экраны против ЭМП

Рис. 3. Экраны:
а) наличие только электрического экрана позволяет волне отражаться внутрь экранированной части схемы;
б) наличие ферритового экрана может привести к проблемам из-за утечки ЭМП;
в) наиболее эффективно подавляет ЭПМ комплексное решение в виде добавки ферритового экрана к металлическому

В типичном импульсном преобразователе энергии, например в DC/DC-преобразователе, ЭМП может генерироваться не только силовым дросселем, трансформатором, катушками индуктивности и ключами, но и интегральной схемой управляющего контроллера, конденсаторами и другими компонентами схемы. В случае использования только одного цельного, даже закрытого металлического экрана энергия ЭМП может свободно отражаться от металла и впоследствии повторно вводиться обратно в схему, что усиливает помеху вследствие интерференции и влияет на работу самого преобразователя. Добавление ферритового экрана к металлическому дает несравнимо лучшее решение для подавления ЭМП. Здесь важно помнить и учитывать как µ´, так и µ˝, а также зависимость от толщины ферритового экрана.

Однако есть случаи, когда для материала с низкой добротностью Q важны отдельные значения µ´ и µ˝. Один из примеров — беспроводные магнитно-резонансные приложения, где требуется подавление ЭМП, но при этом критической является стабильная индуктивность. Если для подавления ЭМП, с целью достижения лучших характеристик экранирования, выбран материал с высоким µ´ и он находится вблизи силовой катушки, то из-за магнитной связи проницаемость экранирующего материала может увеличить значение индуктивности резонансной катушки. Но поскольку значение µ´ может меняться в зависимости от температуры (об этом далее) и старения, то в результате может сместиться резонансная частота и снизиться производительность конечного продукта, в частности беспроводного зарядного устройства смартфона. В этом сценарии желательно иметь низкое значение µ´, но гораздо большее значение µ˝.

 

Предложения компании TDK

TDK Corporation — это ведущая электронная компания со штаб-квартирой, расположенной в Токио (Япония). Она была создана в 1935 году именно для коммерциализации применения недавно открытого феррита, который стал ключевым материалом самого широкого применения в РЭА, и достигла в этом направлении больших успехов, чему способствовало ее объединение с фирмой EPCOS [6]. Компания ориентируется на требовательные рынки в области информационных и коммуникационных технологий, бытовой, автомобильной и промышленной электроники.

Экранирующие магнитные материалы компании TDK под торговой маркой Flexield доступны в виде двух типов обычного исполнения IFL series (только магнитное экранирование) [7] и гибридного — IFL series Hybrid type [7], имеющего магнитный и токопроводящий слои (рис. 4).

Материалы компании TDK для экранов против ЭМП

Рис. 4. Материалы компании TDK:
а) структура материала серии IFL;
б) вариант исполнения ее гибридной серии IFL16 с изолированной поверхностью, суффикс E;
в) вариант с токопроводящей поверхностью, суффикс G, допускающей подключение заземления

Еще больше улучшить характеристики экранирования с использованием гибких магнитных экранов разработчикам компании TDK удалось благодаря уникальной новой слоистой структуре, примененной при изготовлении помехопоглощающего материала серии IFM10M [9]. Этот тип материала состоит из слоев с высоким содержанием частиц феррита и композита на основе полипиррола с медным покрытием. Толщина медного покрытия составляет всего 1 мкм (рис. 5). Нанесение тонкого слоя меди осуществляется гальваническим способом, разработанным компанией Achilles Corporation.

Структура материала серии IFM10M

Рис. 5. Структура материала серии IFM10M

Материалы компании TDK позволяют очень эффективно подавить ЭМП, диапазон их рабочих частот находится в пределах от сотен килогерц и до десятков гигагерц, что позволяет не только подавлять излучаемые и наведенные помехи для систем питания, но и использовать для высокочастотных применений. Материалы предназначены для работы при температурах –40…+85 °C. Основные характеристики серий рассматриваемых помехопоглощающих материалов компании TDK приведены в таблице.

Таблица. Основные характеристики серий помехопоглощающих материалов компании TDK

Наименование
серии

Рекомендованный частотный диапазон

Начальная магнитная проницаемость, 1 МГц (тип.)

Поверхностное сопротивление изоляции на см2

IFL10M

10 МГц – 3 ГГц

120

1 МОм

IFL12

5 МГц – 3 ГГц

180

10 кОм

IFL16

0,5 МГц – 1 ГГц

220

10 кОм

IFL16
(гибридный)

0,5 МГц – 1 ГГц

220

10 кОм

IFM10M

0,5 МГц – 10 ГГц

120

Рассмотренные в данной статье материалы поставляются в виде рулонов 300×100 м и листов с размером 300×200 мм, они легко режутся и перфорируются, могут принимать разные формы, а также использоваться на искривляемых поверхностях, например на гибких кабелях или печатных платах.

 

Примеры практического применения материалов компании TDK

Примеры типовых применений помехопоглощающих материалов компании TDK показаны на рис. 6 [2].

Примеры практического применения листов из магнитомягких материалов компании TDK

Рис. 6. Примеры практического применения листов из магнитомягких материалов компании TDK

В [2] приведен пример анализа подавления магнитной помехи в области ближнего поля для плат памяти DDR с использованием листов перспективного материала серии IFL гибридного типа. Пример наглядно демонстрирует то, насколько эффективно подавляются ЭМП листами с гибридным экранирующим слоем. В рамках этой статьи для оценки предложенных рекомендаций мы рассмотрим пример экранирования, который был протестирован на телефоне Huawei P20 Pro [1]. Телефон имеет металлический экран, который защищает адресную шину и линии данных, управляющие дисплеем телефона (заставка и рис. 7). Желтая выделенная область показывает размер и расположение существующего в данной модели металлического экрана. Также была выбрана тестовая зона («Зона интереса» на рис. 7б), а после удаления существующего решения с использованием тестера ЭМП ближнего поля была установлена граничная линия для сравнения.

Пример экранирования

Рис. 7. Пример экранирования:
а) смартфон Huawei P20, использованный для тестирования. Выделенная область показывает размер и расположение существующего металлического экрана;
б) затем была выбрана представляющая интерес тестовая зона

Сравнение по эффективности экранирования проводилось относительно:

  • существующего решения;
  • гибридного решения на основе слоя феррита и меди;
  • незаземленного решения с экраном из пермаллоя;
  • заземленного решения с экраном из пермаллоя.

Результаты измерения уровня электронного поля в дБмкВ показаны на рис. 8.

езультаты измерений уровня электрического поля при разных вариантах экранирвоания

Рис. 8. Результаты измерений уровня электрического поля приведены для решений:
a) без экранирования;
б) существующий экран;
в) экран из феррита и меди;
г) экран из пермаллоя без заземления;
д) экран из пермаллоя с заземлением

Из этих данных становятся очевидными несколько ключевых моментов. Во-первых, магнитомягкий материал влияет на измеряемую величину электрического поля и, следовательно, на уровень затухания. Во-вторых, наличие металлического слоя помогает ослабить уровень ЭМП, будь то ферритовый магнитомягкий материал или пермаллой. Наконец, возможность заземления экрана еще больше улучшает характеристики экранирования.

Экраны из пермаллоя, используемые на рис. 8 г, д, были значительно тоньше, примерно 20 мкм, чем все другие материалы, толщина которых находилась в диапазоне 50–100 мкм. Кроме того, эти данные приведены на одной частоте. Если посмотреть на зависимость затухания от частоты, становится еще более очевидным, что на подавление ЭМП влияют многие факторы. Следовательно, выбор ферритового материала должен быть оптимизирован для каждого уникального применения. В качестве примера на рис. 9 показано измерение, проведенное для двух решений на основе пермаллоя.

Результаты подавления ЭМП для пермаллоевого экрана с заземлением и без него

Рис. 9. Результаты подавления ЭМП для пермаллоевого экрана с заземлением и без него

В этом конкретном случае подавление ЭМП значительно улучшается в диапазоне частот 55–80 МГц. Простое заземление магнитного экрана в данном диапазоне позволяет повысить уровень подавления на 5 дБмкВ. На пиковой частоте ЭМП около 22 МГц наблюдается улучшение на 2 дБмкВ. Таким образом, если стандарт соответствия требует дополнительного ослабления, то для улучшения этого показателя необходимо предпринять дополнительные меры.

На рис. 9 не видно, что решения без экрана, как заметно на рис. 8 а, б, имели соответствующие пики уровня ЭМП 67,6 и 59 дБмкВ, которые также имели место и на частоте 22 МГц и были уменьшены до 52,9 дБмкВ с использованием заземленного экрана из пермаллоя.

Как можно видеть из приведенных примеров, помехопоглощающие пленки от компании TDK позволяют решить большинство проблем, связанных с ЭМП и ЭМС РЭА.

 

Заключение

Проблемы с ЭМП и выполнением требований по ЭМС могут быть уникальными для каждого конкретного приложения. То, что сработало в прошлый раз, может оказаться непригодным в иной ситуации. Имея на выбор множество магнитных (ферритовых) материалов, крайне важно понять, каковы частоты и уровни ЭМП и как параметры материалов могут повлиять на их подавление, так чтобы привести конечный продукт к должному функционированию и выполнению нормативных требований.

Ключевыми моментами здесь являются следующие:

  • Рекомендуется выбирать материал с потерями, обычно используемыми для приложений NFC/RFID, а не материал с высоким Q, влияющим на индуктивность.
  • В основе правильного выбора материала ключевыми могут быть обе характеристики — µ´ и µ˝.
  • Эффективность подавления ЭМП экранирующего материала зависит от толщины и добавления слоев металлизации.
  • В представленном из реальной практики примере было показано, что использование гибридного материала с ферритовым и металлическим слоями улучшает затухание, а еще более высокие показатели могут быть достигнуты за счет заземления экрана.
  • Как правило, наличие металлизированного слоя обеспечит некоторый уровень улучшенного затухания и станет более эффективным на частотах, приближающихся к гигагерцевому диапазону.

Необходимо принимать во внимание еще один факт: постоянные магниты и электромагниты с магнитным потоком, формируемым постоянным током, способны насыщать тонкие магнитные экраны. И когда они содержатся в конечном продукте, то, если не будут находиться на некотором расстоянии, смогут снизить производительность в части эффективности экранирования. Диэлектрическая проницаемость также является важным параметром магнитного (ферритового) материала. Ее влияние не рассматривалось, поскольку она более критична для рабочих характеристик антенны, чем для подавления ЭМП, но все же влияет на эффективность экранирования.

Многие считают магнитные экраны «защитным слоем» для подавления электромагнитных помех. То есть они используются только как последняя надежда, может быть, даже временно, как быстрое решение, когда все другие варианты уже исчерпаны. Дело в том, что бывают случаи, когда традиционные решения не работают или занимают слишком много времени, и в этой ситуации такая примочка в виде «пластыря» (часть листовых материалов имеет адгезивный слой) может стать наиболее экономически эффективным решением. В практике автора перевода имелись аналогичные случаи, когда за экранирование, в том числе и магнитное, хватались, как утопающий хватается за соломинку. Приходилось, и не раз, использовать специально наносимые на корпуса покрытия в виде краски, накладывать «пластырь» просто на микросхемы, прикрывать экраном ленточные кабели и участки цепей, однажды решить на месте эксплуатации «нерешаемую» проблему с ЭМП помогла… фольга из сигаретной пачки.

Автор статьи надеется, что приведенные в ней сведения помогут читателям как минимум лучше понимать поведение помехопоглощающего магнитного материала и получить лучшую отправную точку в нелегкой борьбе с ЭМП и решением проблем ЭМС.

Литература
  1. Burket C. EMI Suppression Shields. EMI Suppression Shields: Understanding the Basics. Electronic Design. Jan 07, 2020. 
  2. Noise Suppression Sheet «Flexield» IFL Series. Tech Notes. 2020 TDK Corporation.
  3. Рентюк В. Электромагнитная совместимость: проблема, от которой не уйти // Компоненты и технологии. 2017. № 7.
  4. Браманпалли Р. Проблема излучения ЭМП силовым дросселем DC/DC-преобразователя и варианты ее решения // Компоненты и технологии. 2018. № 6.
  5. Рентюк В. Снижение синфазных помех импульсных преобразователей на уровне их базовой схемотехники // Силовая электроника. 2015. № 3.
  6. Рентюк В. Многослойные ферритовые элементы компании TDK EPCOS — эффективное и удобное решение проблемы ЭМС. В сб. «Электромагнитная совместимость в электронике». 2018.
  7. Noise suppression sheets, Flexield IFL series. TDK. April 2018.
  8. Noise suppression sheets, Flexield IFL series Hybrid type (magnetic layer+conductive layer). TDK. June 2017. 
  9. Экранирующие листы Flexield серии IFL для подавления шума. В сб. «Электромагнитная совместимость в электронике». 2018.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *