Магнитная защита для беспроводных систем

Защита с помощью ферритов

Поскольку магнитная проницаемость ферритовых материалов выше, чем у воздуха, они заметно влияют на распределение и величину магнитного поля (рис. 1). Устанавливая магнитные компоненты на определенные участки платы, мы, таким образом, локально повышаем интенсивность магнитного поля и влияем на его форму. Этот эффект используется, чтобы повысить эффективность и уменьшить наводки. Относительная магнитная проницаемость, которая характеризует магнитные свойства материала, определяется следующим образом:

Потери в магнитном материале могут возникать из-за гистерезиса и собственных вихревых токов. Из-за этих потерь энергия магнитного поля превращается в тепло, которое приводит к саморазогреву изделия. Для количественной оценки потерь необходимо представить относительную проницаемость в комплексном виде:

Ферритовые материалы с большими значениями реактивной составляющей μ“, применяющиеся в фильтрах для подавления помех, относятся к линейке WE-CBF. Материалы с большими значениями действительной составляющей μ‘ используются для того, чтобы максимально улучшить управление магнитным потоком с минимальными потерями. Оба этих параметра зависят от частоты (рис. 2). Правильный выбор материала обеспечивает его пригодность для эксплуатации на частоте работы системы и максимального увеличения фильтрации или способности к управлению.

Рис. 1. Концентрация линий магнитного поля в ферритовом материале

Необходимость в повышении эффективности приложений, помехозащиты и дальности передачи сигналов особенно велика в беспроводной связи, и в частности, в беспроводной связи ближнего радиуса действия. Интеграция этих магнитосвязанных технологий в электронные устройства с высокой плотностью монтажа с жесткими массогабаритными ограничениями приводит к ряду нежелательных эффектов, из-за которых уменьшается эффективность системы и повышаются потери.

Рис. 2. Комплексное представление относительной магнитной проницаемости ферритовых материалов

Стандартные проводящие экраны защищают устройства от нежелательных наводок за счет генерации противоположно направленного поля, отражая помехи и даже отводя наводки на землю. Однако это средство защиты фильтрует также защищаемый сигнал.

В идеальном случае необходимо сосредоточить в максимальной мере магнитное поле только в тех областях, где оно требуется, чтобы защитить остальные участки системы и повысить ее эффективность. С этой целью применяются материалы с большим значением μ‘ и малым μ“ на рабочей частоте системы связи. В ассортименте компании Würth Elektronik имеется ряд изделий, которые удовлетворяют этим требованиям. К ним относятся, например, тонкие диэлектрические ферритовые пластины WE-FAS (рис. 3), которые изготовлены из полимера с наполнителем из ферритового порошка. Это очень гибкие пластины, магнитные свойства которых редуцированы из-за наличия полимера. Величина магнитной проницаемости пластин остается приемлемой в диапазоне до нескольких гигагерц. Кроме того, поскольку они поглощают электрическое поле, эти пластины хорошо подавляют электромагнитные помехи на высоких частотах.

Рис. 3. Тонкие поглощающие пластины WE-FAS

На рис. 4 показаны гибкие пластины WE-FSFS из спеченного ферритового материала. Эта новая линейка материалов обеспечивает высокую магнитную проницаемость и малые потери при очень небольшой толщине (более 0,1 мм). Пластины, состоящие из тонкого ферритового слоя с зазором, помещенного между клеящей лентой и слоем из полиэтилентерефталата (ПЭТФ), обладают отличными защитными и изоляционными свойствами, а также большим поверхностным удельным сопротивлением. Пластины обеспечивают хорошее управление магнитным потоком.

Рис. 4. Гибкие пластины WE-FSFS со спеченным ферритом

Беспроводная передача энергии

При передаче энергии с помощью магнитосвязанной пары катушек магнитный поток направляется от передатчика к приемнику. Окружающая среда используется в качестве обратного тракта. Как видно из рис. 5, этот направленный поток проходит через приемник в заряжаемое устройство. Магнитное поле, проникая в проводящие элементы, вызывает в них нежелательные эффекты — саморазогрев. Из-за индуктивной связи возникают также контуры паразитного тока в проводящих материалах (например, в проводниках ИС, печатных плат), который создает ЭМП.

Рис. 5. Магнитный поток в отсутствие защитного экрана

Рис. 6. Распределение плотности магнитного потока в отсутствие защитного экрана (результат моделирования)

На рис. 6 представлен результат моделирования магнитного потока. Видно, как этот поток, наибольшая концентрация которого приходится на питающий контур (зеленые и желтые участки), распространяется в сторону приемника. Часть этого потока находится за передатчиком (светло-голубые участки рисунка). Из рис. 7–8 видно, что основная часть магнитного потока сосредоточена между катушками передатчика и приемника, если за ними установлены ферритовые пластины.

Рис. 7. Беспроводная зарядка с использованием защитного экрана

Рис. 8. Распределение плотности магнитного потока при использовании защитного экрана (результат моделирования)

Известно несколько стандартов индуктивной зарядки на разных частотах (см. таблицу 1). Магнитный материал пластины выбирается так, чтобы обеспечить наилучшие рабочие параметры (максимальное значение μ‘ и минимальное μ“). Величина потерь μ“ у пластины WE-FSFS 354 меньше 2 до 2 МГц, тогда как μ‘ превышает 200. Пластины этого типа являются отличным экраном для использования в приложениях согласно стандартам Qi и PMA. При более высоких частотах наилучшим выбором являются пластины WE-FSFS 364 благодаря малым потерям (μ“<2) до 13,56 МГц; при этом μ‘ больше 100.

Технология NFC

К приложениям, в которых применяется технология NFC, относятся платежи с мобильных устройств, оплата билетов в общественном транспорте и управление доступом. Для обмена данными используется частота 13,56 МГц. Катушки индуктивности излучающего и приемного устройств настроены так, чтобы эта частота была резонансной. Как правило, в состав данных устройств входят согласующие цепи.

Однако наличие проводящей поверхности (например, батареи, заземления, металлического корпуса) препятствует нормальной связи из-за эффектов экранирования этих устройств. Поток, генерируемый считывающим устройством (см. синие эллипсы на рис. 9), проходит по проводящему слою, вызывая вихревые токи.

Рис. 9. Связь NFC-RFID в отсутствие экранирования

Эти токи генерируют противоположно направленный поток (см. красные эллипсы на рис. 9), уменьшая эффективность связи. На рис. 9 показана связь между устройствами в отсутствие экранирования, а на рис. 10 — результаты моделирования того, как влияет проводящий слой на распределение магнитного потока. В то же время проводящий материал, находящийся рядом с одной из катушек устройств, уменьшает их индуктивность. В результате резонансная частота схемы возрастает по сравнению с расчетным значением, что увеличивает число отказов и препятствует эффективному установлению связи.

Рис. 10. Влияние проводящего слоя на распределение магнитного потока (симуляция)

Уменьшение индуктивности вызвано увеличением потерь в катушках из-за потерь в проводящем материале, обусловленных вихревыми токами. В результате возрастает сопротивление катушки по постоянному току, а добротность контура падает (рис. 11).

Рис. 11. Влияние проводящего слоя (уход частоты и уменьшение добротности)

Согласующей схеме очень трудно компенсировать изменение частоты и добротности. Ферритовая пластина WE-FSFS 364 с большим значением μ‘ на частоте 13,56 МГц перенаправляет этот поток за пределы проводящего слоя, позволяя избежать появления вихревого тока (см. таблицу 2).

В силу малого значения μ“ при той же частоте потери на сопротивлении R существенно не вырастают, и обеспечивается высокая добротность резонансного контура (рис. 12–14).

Рис. 12. Экранирование устройств NFC-RFID

Рис. 13. Результаты симуляции проводящего слоя с ферритовым экраном

Рис. 14. Влияние экрана (возвращение частоты к исходному значению и повышение добротности)

Выводы

Анализ и измерения параметров индуктивно связанных устройств показали, что эти параметры можно улучшить путем использования ферритовых материалов (в первую очередь, ферритовых пластин). Управляя магнитным потоком, эти материалы обеспечивают превосходное экранирование устройств в таких критичных к помехам приложениях, как передача электроэнергии и беспроводная связь ближнего радиуса действия.

Выбор правильных материалов в соответствии с рабочей частотой приложения, использование максимального значения μ‘ и минимального μ“ наряду с корректным размещением компонентов на печатной плате обеспечивает высокую эффективность переноса. В то же время следует минимизировать влияние посторонних полей, которые вызывают нежелательные помехи и нагревание устройств. Благодаря отличным рабочим характеристикам и малой толщине гибких пластин WE-FSFS со спеченным ферритом от компании Würth Elektronik достигаются высокие значения эффективности и более высокие уровни интеграции электронных систем.