Primena pasivnih komponenti

1. Primena elektronskih komponenti

1

1. Primena pasivnih elektronskih komponenti Pasivne komponente su definisane kao uređaji koji ne obezbeđuju pojačanje snage. Oni su uobičajeno otpornici i kondenzatori, ali takođe uključuju induktore, transformatore i diode. Pasivne komponente predstavljaju integralni deo performansi kola posebno na visokim frekvencijama [1,2]. Pasivne komponente se radi proširivanja svojih dobrih osobina realizuju zajedno sa raznim magnetnim i poluprovodnim materijalima čineći elektronske komponente.

1.1. Značaj pasivnih komponenti Diskretne pasivne komponente su izgrađene kao “podešivači” rada drugih elektronskih kola, dok integrisane i ukopane pasivne komponente traže odgovarajuću primenu. Upotreba pasivnih komponenti se nastavlja zapanjujućom stopom. Neki pretpostavljaju da će pasivne komponente biti “integrisane” unutar samog integrisanog kola. Upravo obrnuto se dešava, razvoj diskretnih pasivnih komponenti se nastavlja nesmanjeno [3]. Pasivne komponente obavljaju nekoliko vitalnih funkcija u elektronskim proizvodima. 1. Razdvojni kondenzatori: Konstantno “prekidanje – paljenje/gašenje” koje se javlja

u digitalnim kolima formira šum koji sa napajanjem remeti brojna kola na štampanoj ploči (PCB). Ako napon napajanja ima jako puno šuma od “prekidanja” moguće je da se digitalna “jedinica” očita kao “nula” ili obrnuto. Ovaj događaj je prilično redak, ali sa milionima operacija u sekundi u modernim mikroprocesorima do toga može doći ako napajanje kola nije zaštićeno. Da bi se minimizovao ovaj efekat, kondenzatori se smeštaju duž cele štampane ploče (PCB-a) i opterećuju linijski napon. Kondenzatori odgovaraju ili sa dodavanjem ili sa oduzimanjem struje napajačke mreže kao odgovor na svaki poremećaj. Ovaj efekat se zove razdvajanje (razdvajanje je efekat eliminisanja uticaja mreže za napajanje).

2. Opterećenje linije: Jedan od zahteva električne prenosne linije je da je ona odgovarajuće opterećena. Bez odgovarajućeg opterećenja, električni signali mogu da se reflektuju i izazivaju lažne signale.

3. Pull-up otpornici: Mnogobrojna integrisana kola imaju brojnu i različitu primenu. Ove različite primene zahtevaju različite električne veze. Povremeno neka opterećenja integrisanog kola se neće koristiti u specifičnom električnom proizvodu. U većini slučajeva I/O (Ulazno/Izlazno) opterećenje u zahtevanim potrebama treba da se postavi na mrežu napajanja ili uzemljeni napon bez protoka struje. Ova operacija se ostvaruje sa otpornicima velike vrednosti, pull-up otpornicima.

4. Filtri: Pasivne komponente se često koriste za formiranje električnih filtara. Logično je pitati da li se pasivne komponente moraju koristiti da bi rešili ove

projektantske izazove. Očevidno, neke od funkcije pasivnih komponenti, posebno one koje se odnose na elektronske filtre, mogu biti integrisane unutar IC. Međutim, ova vrsta dizajna će ograničiti fleksibilnost integrisanih kola za većinu primena. Stoga postoji tipično jedan dizajn IC za višestruku primenu i kolo se “podešava” sa pasivnim komponentama radi specifične primene. Ali mora se razumeti da – čak i kod najboljih projektanata IC – pasivne komponente trebaju da se odvoje od IC.


2

Slika 1.1. ukazuje na rast brzine mikroprocesora PC-a u poslednjih dvadeset godina. Za to vreme, napajanje mikroprocesora je oboren za više od 50 procenata, dok se brzina naročito povećava posle 1990. godine. Ove dve tendencije nezavisno zahtevaju više pasivnih komponenti [4]. Zajedno, sa porastom broja I/O(ulaza/izlaza) aktivnih komponenti, oni označavaju eksponencijalni porast u funkciji vremena. Predviđa se da će se do 2006. godine brzina (takt) popeti na čitavih 20 GHz (gigaherca), a na tim frekvencijama postojeće tehnologije ne mogu dati zadovoljavajuće rezultate [5]. Međutim, ipak možemo očekivati u narednom periodu nastavak porasta primene pasivnih komponenti. Potreba za većim brzinama oscilatora, nižim radnim naponom, većim brojem I/O (Ulaza/Izlaza) na aktivnim uređajima i povećanje kombinacija digitalno/analognih funkcija su među trenutnim trendovima u elektronici koji jako povećavaju upotrebu pasivnih komponenti, izuzev kod elektronskih filtara. Elektronski filtri mogu zahtevati nekoliko pasivnih komponenti kako se napajanje smanjuje, ali sa opadanjem napajanja potrebno je više razdvajajućih kondenzatora. Smanjenje u zahtevima filtara je obično prilično minimalno i zasenjeno je porastom primene drugih pasivnih komponenti.

Frekvencije takta mikroprocesora PC-a

Slika 1.1. Porast brzine procesora PC-a u poslednjih 20 godina.

Slika 1.2. Porast broja pasivnih komponenti na štampanoj ploči.

Slika 1.2 ukazuje na porast pasivnih komponenti na štampanoj ploči (PCB) sa samo 25 % svih komponenti na PCB-u 1984 do više od 90 % danas. To je neosporno najznačajnija promena u elektronici. Ova promena ne zahteva više montiranih pasivnih komponenti, već ona usporava minijaturizaciju, pošto pasivne komponente zahtevaju relativno sve više prostora na ploči.


3

Industrija je odgovorila na ove promenjene zahteve na nekoliko načina. Prvo, položači čipova velike brzine su razvijeni. Trenutno neki položači čipova postižu 100.000 postavljanja po satu. Brži položači čipova su logični prvi korak na porasta primene pasivnih komponenti. Industrija pasivnih komponenti je, uporedo sa porastom broja pasivnih komponenti u upotrebi, odgovorila na situaciju kako povećanom proizvodnjom pasivnih komponenti manjih dimenzija što je imalo za posledicu smanjenje realne površine štampane ploče, kao što je prikazano na slici 1.3, tako i razvojem integrisanih komponenti. Integrisane komponente imaju brojne kondenzatore i otpornike u jednom pakovanju. Ovaj pristup smanjuje troškove uređaja jer se jedna pasivna komponenta smešta tako da zadovolji funkciju brojnih individualnih pasivnih komponenti. Kako se troškovi uređaja često navode kao troškovi po postavljanju, ovaj pristup može imati veliki uticaj na upravljanje troškovima. Međutim, ove integrisane pasivne komponente su izrađene po narudžbini (custom design), pa je stoga jedinična cena visoka. Trenutno se samo oko 250 miliona integrisanih pasivnih komponenti godišnje koristi prema gotovo 900 milijardi diskretnih pasivnih komponenti.

0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%

100%

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010

02010402060308051206

Slika 1.3. Procenat pasivnih komponenti po veličini. U nekim slučajevima potreba za pasivnim komponentama je toliko velika da nema dovoljno prostora na PCB-u da bi se postavile sve te komponente. Da bi se zadovoljile te potrebe značajni napori su učinjeni za razvoj odgovarajućih tehnologija koje zahtevaju ukopane pasivne komponente na PCB-u ili elastičnom materijalu kola. Pristup “ukopavanja” nije naročito fleksibilan iz perspektive projektovanja i još uvek je prilično skup. Integrisane i ukopane pasivne komponente će ostati značajne, ali njihova pozicija na celom tržištu pasivnih komponenti zavisiće od nedostatka fleksibilnosti nasuprot diskretnim pasivnim komponentama. Ako cene budu išle na dole, broj integrisanih pasivnih komponenti će verovatno rasti više nego ukopanih pasivnih komponenti iako je njihova fleksibilnost manja. Diskretne pasivne komponente će pratiti problemi, zbog rukovanja ispod veličine “0201” (20×10 mils ili 0.5×0.25 mm), zato što njihove male dimenzije stvaraju probleme prilikom sklapanja i pakovanja. Čak i danas, rukovanje “0402” pasivnim komponentama je izazov. Diskretne pasivne komponente će nastaviti da se razvijaju, ali će se veličine “0201” i “01005” sporo pojaviti jedino ako se pojavi prodor tehnike postavljanja.


4

Pasivne komponente kao što su otpornici, kondenzatori ili induktori su integralni deo svakog elektronskog podsistema prisutnog na tržištu. Oni nisu samo neizbežni kao filteri u RF sistemima već mogu da doprinose do 80 % komponenti u čisto digitalnim sistemima kao “pull-up” i razdvajajući kondenzatori. Broj ovih komponenti je u neprekidnom porastu kao što je prikazano na slici 2.4.a. Isto tako, uspeh integrisanih kola (IC) i poboljšanih modula, je postignut kao posledica neprestanog pritiska za povećanjem nivoa integracije, imalo je za posledicu povećanje odnosa diskretnih pasivnih komponenti u odnosu na njihove odgovarajuće IC module. To povećanje je najbolje objašnjeno brojem pasivnih komponenti potrebnih za održavanje rada jednog mikroprocesorskog čipa. Spori procesor i486 po svom pojavljivanju na tržištu zahtevao je 125 pasivnih komponenti koje su održavale njegov rad, "Pentium" je zahtevao 252 diskretne komponente, dok "Pentium IIs” zahteva 345 pasivnih komponenti.

a)

012345

0805 0603 0402SMD

Povr

šina

[mm

2 ]

Obuhvaćeni prostor za montažu

Oblast same komponente

Dodatni prostor za montažu

b)

Slika 1.4. Uticaj pasivnih komponenti [6]: a) Broj pasivnih komponenti, b) Zauzetost površine.

Pasivne komponente za površinsku montažu (SMD) nastavljaju sa smanjivanjem, ali obuhvaćeni prostor za montažu/lemljenje u budućnosti teško da se može smanjiti (pogledati sliku 1.4). Obuhvaćeni prostor za montažu je dostigao dodati prostor za montažu i stoga dolazi do zasićenja. Pored toga, smanjenje veličine komponente može dovesti do potrebe za skupljim i sporijim postavljanjem, tako da se sklapajući gubitak može javiti.

Do današnjih dana brojni pristupi su upotrebljeni da bi se ostvarila integracija pasivnih komponenti. Pristupi su bili u vrlo širokom opsegu: od prilagođavanja 8 do 18 komponenti u module debelog filma, koji se tretiraju kao integrisane pasivne komponente, do ukopanih pasivnih komponenti na samom silicijumu. Ova usavršavanja su neophodna kada se krećemo ka radnim brzinama reda GHz i


5

manjim modulima uz istovremeni pad naponskih nivoa. Jedan primer integracije otporničkog delitelja za površinsku montažu je prikazan na slici 1.5 [7].

Slika 1.5. Modul otpornog delitelja sa električnom šemom.

U poslednje vreme istraživačke aktivnosti su bile usmerene i ka razvoju integrisanih pasivnih komponenti (IP) koje su deo supstrata/PCB i koje su izgrađene istim procesom kao i supstrat. Prednosti integrisanih pasivnih komponenti su brojne. Proizvodni sistem može ostvariti smanjenje koraka procesa izrade i vreme montaže. Pored toga, IP mogu doprineti značajnom smanjenju veličine čitavog sistema. Ipak, integrisane pasivne komponente nisu napravile svoj put ka tržištu što se može objasniti sledećim razlozima: • U nekim slučajevima, tolerancija integrisanih pasivnih komponenti ili njihove

performanse nisu dovoljne za željene aplikacije; • Kod razdvojnih kondenzatora korišćeni dielektrični materijal ima za posledicu

zauzetu površinu nekoliko puta veću od oblasti potrebne za odgovarajuće SMD; • Ekonomska opravdanost tehnologije integrisanih pasivnih komponenti još nije

potvrđena pošto su troškovi izrade takvih “pametnih supstrata” značajno veći od onih standardnih.

Neka nepisana pravila koja postoje kažu da je za proizvoljnu dimenziju ploče rešenje pomoću integrisanih pasivnih komponenti isplativo za više od deset otpornika. Takođe pasivni komponente određuju celokupnu veličinu, topologiju i performanse bežičnog komunikacionog primopredajnika. Iako se veličina i cena aktivnih uređaja neprestano smanjuju, značaj usavršavanja performansi i veličine pasivnih komponenti postaju sve značajniji, pošto se mnogi od elemenata primenljivih u primopredajniku teško i gotovo nemoguće integrišu monolitnom tehnologijom [8].

Prema studiji Univerziteta u Roterdamu [9] tržište elektronskih komponenti se može podeliti u četiri grupe koje uključuju poluprovodnike, pasivne, elektromehaničke i mešovite komponente kao što je prikazano na slici 1.6.


6

Полупроводници65%

Електромеханичкекомпоненте

10%

Пасивне компоненте10%

Мешовите 15%

Slika 1.6. Raspodela tržišta elektronskih komponenti.

Sadašnji potrošači prenosnih/pokretnih uređaja nastavljaju sa postavljanjem zahteva dizajnerima za minijaturnim rešenjima čija cena mora biti manja od prethodnih proizvoda. Sve više i više funkcija nastavlja da se dodaje ručno prenosnim proizvodima a i pored toga njihova ukupna veličina se smanjuje. RF i bežični sistemi u ovim ručnim uređajima dodaju dimenziju kompleksnosti. RF kola obično koriste mnogo pasivnih komponenti i uspešan dizajn RF kritično zavisi od osobina pasivnih komponenti visokih performansi. Induktori visokog faktora dobrote Q su neophodni za podešavanje, filtriranje, usaglašavanje impedanse i pojačanja. Linearne kapacitivne komponente sa visokim Q faktorom su neophodne za DC razdvajanje, usaglašavanje kola i filtriranje. Kao ilustraciju [10], za mobilni telefon, odnos pasivnih kola i integrisanih kola (IC) je 12 prema 1. Broj pasivnih komponenti kreće se u opsegu od 200 do 400. One zauzimaju veliki deo prostora na štampanoj ploči. Bežične telekomunikacije su jedna od najbržih elektronskih industrija poslednjih godina. Više od dve stotine i osamdeset miliona ručnih uređaja je prodato širom sveta samo 1999 godine. U poslednjih nekoliko godina, godišnja stopa rasta ručnih uređaja se povećava za minimum 50% godišnje. Nokija predviđa da će populacija od milijarde korisnika celularne tehnologije biti dostignuta 2002 [11]. Zbog opšte svetske ekonomske recesije ovaj broj korisnika će biti dostignut sa odlaganjem od nekoliko godina.

1.2. Zaštitni pasivni filtri Veliki broj filtarskih aplikacija se koristi u digitalnim signalnim tehnikama i digitalnim filtrima, a postavlja se i pitanje kada se u praktičnoj primeni opredeliti za analogni ili digitalni filtar. U praksi, postoji mnogo situacija u kojima su analogni vremenski neprekidni filtri potrebni ili obezbeđuju ekonomski opravdano rešenje. Među njima su i povezivačka kola, koja spajaju izvorne analogne signale sa digitalnim signal procesorom i obezbeđuju ograničenje opsega pre nego što signali mogu biti uzorkovani za dalju obradu. Pored toga, omogućavaju rekonstrukciju obrađenih podataka nazad u analogni svet. Zahtevi filtriranja pri vrlo visokim frekvencijama (gde je potrebno ultra/brzo uzorkovanje, a digitalna kola ne mogu biti realizovana i ekonomski opravdana) mogu zahtevati analogne tehnike, pogledati sliku 1.7.


7

1 10 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 Hz 1 KHz 1 MHz 1 GHz

Фреквенција, Hz

Дискретни аналогни активни RC филтри

Активни филтри са прекидачким кондензаторима

Интегрисани аналогни активни филтри

Пасивни LC филтри

Микроталасни филтри

Slika 1.7.Izbor tipa filtra kao funkcija opsega frekvencije [12].

Neke smernice prilikom izbora mogućeg tipa filtra se mogu dobiti sa slike 1.7 kao funkcija željenog opsega radne frekvencije. Opseg upotrebe LC filtara je ograničen sa donje strane zapreminom induktora, a sa gornje (visokofrekventne) strane parazitnim i distributivnim efektima. Možemo primetiti da u poređenju sa pasivnim LC filtrima, diskretni aktivni filtri čija je osnova operacioni pojačavač mogu realizovati filtre za niže frekvencije, ali ne i za visoke frekvencije. Integrisani analogni filtri, zavisno od dizajna i tipa korišćenog uređaja, mogu proširiti opseg od niskih audio frekvencija do gigahercnog opsega. Aktivni filtri sa prekidačkim kondenzatorima će biti ograničeni u primeni, od oko 10 Hz do oko 1 MHz, širinom opsega aktivnog uređaja i neprikladnom veličinom elemenata od kojih se sastoje. Mikrotalasni filtri pokrivaju najveći frekvencijski opseg oslanjajući se na talasovodni dizajn. Ograničenja aktivnih filtara zavise, od korišćenih aktivnih komponenti: operacionih pojačavača i transkonduktansnih operacionih pojačavača. Ukoliko je osetljivost na varijacije komponente bitna pasivni LC filtri obično imaju prednost u odnosu na aktivne filtre. Mada se koriste u velikom broju, njihov dizajn nije kompatibilan sa modernim potpuno integrisanim sistemima.

Konačno, aktivni filtri zahtevaju izvor napajanja. Opseg napona izvora napajanja je od 1 V do 15 V, u tipičnim uređajima u vreme pisanja ove disertacije su 3.3 V i niži. Kao posledica toga, nivo korisnog linearnog signala postaje niži sa smanjenjem napona izvora napajanja, pošto aktivni uređaji proizvode šum [13], koji ograničava najmanje signale koji mogu biti obrađeni, pa dinamički opseg postaje ozbiljan problem za projektanta.

1.2.1. Teorijski pregled LC filtara. LC filtri su našli veliku primenu u komunikacionim i radarskim sistemima [14]. LC filtri se mogu klasifikovati prema funkcijama koje obavljaju. U okviru frekvencije od interesa definišemo propusni i nepropusni opseg. Ovi filtri se ponekad posmatraju kao konstantni koncentrisani ili element−koncentrisani filtri. Postoje četiri glavna tipa LC filtara: - filtri propusnici opsega frekvencija,

- filtri nepropusnici opsega frekvencija, - filtri propusnici niskih frekvencija, - filtri propusnici visokih frekvencija.

Tipična slabljenja u funkciji frekvencije za ove tipove filtara su prikazana na slici 1.8. U slučaju filtra propusnika opsega frekvencija, amplituda je prikazana na slici 1.8(a). Slabljenje ili gubici su minimalni na sredini propusnog opsega i rastu sa


8

svake strane. Razlika između vrha grafika i prve isprekidane linije je IL, uneto slabljenje duž propusnog opsega frekvencije. Tipično slabljenje može biti od 0.5 – 1.0 pri VHF (Very High Frequency). Sledeća isprekidana linija označava tačke na krivoj slabljenja od –3 dB. Razlika između dve vertikalne linije je širina frekvetnog opsega slabljenja do – 3dB. Ta širina može biti mala kao 1% centralne frekvencije ili velika kao oktava, što zavisi od projektovanog filtra. Y-osa je u decibelima i prikazuje nagli rast slabljenja filtara sa svake strane tačke od –3 dB. Strmina krivih zavisi od reda filtra (broja sekcija) ili akomulacionih elemenata korišćenih u filtru.

Slika 1.8. Slabljenje u funkciji frekvencije za LC filtre: (a) filtar propusnik opsega frekvencija; (b) filtar propusnik niskih frekvencija; (c) filtar nepropusnog opsega frekvencija; (d) filtar propusnik visokih frekvencija. IL – Insertion Loss (uneto slabljenje). Tipičan frekventni odziv za filtar propusnik niskih frekvencija je prikazan na slici 1.8(b). Slabljenje je minimalno od nulte (DC) frekvencije do neke željene granične frekvencije. Kada se dosegne ta frekvencija, slabljenje počinje da raste. Na frekvenciji odsecanja, dodato slabljenje preko unetog slabljenja je 3 dB. Iznad te frekvencije, slabljenje naglo raste sa brzinom rasta frekvencije, zaviseći od broja korišćenih filtarskih stepeni i nivoa talasnosti kod Čebiševljevih (Chebychev) struktura. Čebiševljev filter je filter koji ima poznato malu talasnost u propusnom opsegu. To omogućava primenu struktura koje imaju naglo povećanje slabljenja sa promenom frekvencije izvan propusnog opsega. Druga klasa filtara, poznata kao Butervortov (Butterworth) filter, ima maksimalno ravnu amplitudsku karakteristiku unutar propusnog opsega. Tipična karakteristika za filtar nepropusnik opsega frekvencija je prikazan na slici 1.8(c). Karakteristika je u obrnuta karakteristiki filtra propusnika opsega


9

frekvencija. Kod ovog filtra slabljenje je nisko na svim frekvencijama izuzev u okolini željene centralne frekvencije. Kada frekvencija dostigne željenu frekvenciju, slabljenje postaje veliko i maksimalno na centralnoj frekvenciji. Druga horizontalna linija označava tačke na grafiku gde je slabljenje u odnosu na uneto slabljenje povećano do 3 dB. Širina opsega filtra nepropusnog opsega frekvencija je označena vertikalnim isprekidanim linijama. Propusni opseg može biti mali ili veliki, što zavisi od frekvencije koje ne treba propustiti, nagiba slabljenja u funkciji odziva frekvencije, prihvatljivih gubitaka unutar opsega frekvencije, nivo talasnosti itd. Tipičan frekventni odziv filtra propusnika visokih frekvencija je prikazan na slici 1.8(d). U ovom slučaju, slabljenje filtra je vrlo veliko od nulte (DC) frekvencije do okoline željene “cutoff” frekvencije. Iznad te frekvencije, slabljenje opada i postaje niže za više frekvencije. Nagib krive odziva i frekvencija odsecanja zavise od dizajna filtera i od broja korišćenih filtarskih stepeni. Detaljno projektovanje višestepenih LC filtara je vrlo komplikovano. Efekti zaštitnog LC filtra su prikazani uz pomoć termina uneto slabljenja određenog mernim kolom. Kao što je prikazano 50 omskim impedansnim kolom na slici 1.9, uneto slabljenje je predstavljeno kao logaritamski odnos izlaznog napona kola sa i bez filtra u kolu, koji je pomnožen sa 20 i izražen u dB. Zbog toga je ubačeno slabljenje od 20 dB postignut sa odnosom izlaznog napona (B/C) od 1/10. To označava da će novi izlazni napon biti 1/10 originalnog izlaznog napona.

Slika 1.9. Tipično uneto slabljenje od strane filtra [15].

Na slici 1.10 prikazana je ekvivalentna električna šema LC filtra koji se najčešće primenjuju za EMI zaštitu, uz pretpostavku da se na ulaz ili izlaz filtra može dodati i varistor. Često se koriste kombinacije ovih filtara, kao naprimer, 2T ili 2Pi, radi proširenja opsega slabljenja ili intenziteta slabljenja. Ako se proširuje opseg slabljenja onda se EMI filtri T1 i T2 vezuju na red T1 + T2 = 2T. Kako T1 i T2 imaju različite karakteristične frekvencije, početak slabljenja i centralne frekvencije njihovo superponiranje opsega daje prošireni opseg slabljenja. Ako se dva ista T filtra vežu na red dobije se veće slabljenje u istom opsegu. Sva odstupanja od proračuna EMI filtara vezana su za parazitnu kapacitivnost i otpornost kalema i parazitnu induktivnost i provodnost kondenzatora. Otpornost kalema se menja zbog skin efekta, a kapacitivnost zavisi od oblika i rasporeda namotaja. Provodnost dielektrika i induktivnost kondenzatora zavise od oblika i rasporeda elektroda, primenjenog napona i frekvencije. Materijali za izradu EMI filtara nisu stabilni i menjaju magnetnu i


10

dielektričnu propustljivost sa frekvencijom µ(ω) i ε(ω). Feriti su tipični magnetodielektrici sa µr od 100-5 i εr od 15-10 u EMI opsegu (1MHz-1GHz).

Slika 1.10. Ekvivalentna šema osnovnih EMI LC filtara.

Četiri primera filtarskih kola propusnika opsega, prikazana na slici 1.11, proizvedena su u “K&L Microwave Inc., Dover Technologies Company, 408 Cole Cirlcle Sailsbura, Maryland 21801” [14]. U K&L koriste ova četiri kola plus najmanje četiri druga kola kao filtre propusnike opsega da bi zadovoljili projektovane zahteve. Očigledno, prikazana kola su pojednostavljena i generalno prikazuju samo deo korišćenih stepeni (tipično su u opsegu od četiri do devet). Na slici 1.11(a) prikazan je dvostepeni redno-paralelni (lestvičasti) filtar propusnik opsega frekvencija. Svaki stepen sadrži serijsko rezonantno LC kolo praćeno sa paralelnim rezonantnim LC kolom. Izlaz filtra predstavlja priključak između dva rezonatora. Šesto-stepeni filtar bi sadržao šest ovakvih rezonantnih parova. Ovo kolo se koristi u visokofrekventnim širokopropusnim aplikacijama. Na slici 1.11(b) je prikazan trostepeno kapacitivno upareni “tank” kolo filtra propusnika opsega frekvencije. Izraz “tank” kolo odnosi se na paraleleno rezonantno LC kolo. Izlazni priključak je između uparenog kondenzatora i “tank” rezonantnog paralelnog kola. Ovo kolo je odlična struktura za primenu u uskofrekventnim aplikacijama. Kolo sa slike 1.11(c) je kaskadna veza filtara propusnika visokih i niskih frekvencija. Filtar propusnik niskih frekvencija je sastavljen od induktora praćenog kondenzatorom sa izlaznim priključcima između ove dve komponente. Tipično filtarsko kolo propusnika opsega frekvencija može da sadrži četiri do šest niskopropusnih stepeni i četiri do šest visokopropusnih stepeni. Ovo kolo je jako pogodno za široke opsege približne oktavnim širinama opsega ili širim. Kolo sa slike 1.11(d) prikazuje dvostepeni uskopropusni Čebiševljev filtar propusnik opsega frekvencije. Svaki stepen se sastoji od paralelnog rezonantnog “tank” kola praćenog drugim paralelnim rezonantnim “tank” kolom sa izlaznim izvodom smeštenim između dva rezonantna kola. Tipični filtar propusnik opsega frekvencije može imati četiri do osam takvih stepeni.


11

Slika 1.11. Primeri LC filtara propusnika opsega frekvencija. (a) rezonantni redno paralelni filter korišćen u širokopropusnim aplikacijama; (b) kapacitivno upareno “tank” paralelno rezonantno kolo; (c) kaskadni filtri propusnici visokih i niskih frekvencija; (d) uskopropusna simetrična Čebiševljeva struktura.

1.2.2. EMI/EMC zaštita.

Elektromagnetna interferencija (EMI) je pojava poništavanja signala u električnim kolima, sklopovima i uređajima usled visokofrekventnih i impulsnih smetnji koje su nazračene na provodnike ili se prostiru kroz sam provodnike [16]. EMI se pojavljuje u širokom rasponu, od jedva primetnih do jako velikih. Tako da se mogu podeliti u tri nivoa: slabe, srednjeg nivoa i katastrofalne. EMI smetnje se manifestuju na način na koji električni brijač ili seckalica za voće prouzrokuju promene u radio ili TV sistemima. Smetnje obično traju samo nekoliko minuta i ne izazivaju štete. Katastrofalne EMI postoji, na primer, kada radarski talasi izazovu pokret u nosaču aviona ili kada se avioni sudare usled izobličene poruke dobijene iz kontrolnog tornja. Gubitak života ili velika materijalna šteta su tada neizbežni. Većina EMI situacija spada u grupu između, to je zapravo EMI srednjeg nivoa [17]. U savremenoj elektronici kao što su radio, TV, računari, vojna elektronika i druga polja primene, EMI predstavlja izvor grešaka, izvor nepouzdanog rada CMOS i drugih osetljivih kola, pa sve do njihovog trajnog oštećenja pregorevanjem p-n spojeva.

Štete od EMI smetnji u mikroelektronici su brojne: interferencija korisnog signala, promena karakteristika ili stanja IC kola i na kraju pregorevanje osetljivih IC kola. Gubljenje dela korisnog signala znači izmenu podatka, degradaciju karakteristika IC kola izobličenje i slabljenje korisnog signala (podaci), izmenu stanja digitalnih kola (flip-flop daje lažne podatke -unosi greške), dok pregorevanje IC kola predstavlja trajno oštećenje koje prekida ispravan rad celog uređaja ili modula. Prag EMI impulsa za trajno oštećenje IC kola je nekoliko puta veši od praga za degradaciju karakteristika ili izmenu stanja digitalnih kola. Za pregorevanje je


12

potrebna energija koja na PN spoju trajno pomera nepokretne nosioce usađene difuzijom, a za proboj i izmenu stanja potrebna je samo energija za ubrzanje slobodnih nosilaca (tunel efekat kroz potencijalnu električnu barijeru na PN spoju). Zbog toga se na ulaznim i izlaznim krajevima osetljivih digitalnih kola nalaze male Cenerove diode koje štite od statičkog elektriciteta i provedenih (konduktivnih) EMI impulsa.

Rešavanje sistema kinetičkih jednačina modela termalnog proboja je vrlo složeno pa se pribegava merenju snage impulsa P i vremenskog intervala t kada dolazi do oštećenja. Za duže intervale t impulsa uspostavlja se termodinamička ravnoteža pa je snaga potrebna za oštećenje konstantna (P= const). Za kratke impulse P= kt-1 , a za impulse srednje dužine P=kt-1/2. Konstanta k se kreće u određenim intervalima između min i max vrednosti (tabela 1.1). Snaga impulsa potrebnih za oštećenje komponenti se izražava u W/µs½. Konstanta k zavisi od materijala i konstrukcije komponente i mera je imuniteta na EMI impulse. Sa starenjem komponente vrednost konstante k opada [18].

Tabela 1.1. Imunitet na EMI impulse, k [W/µµµµs½].

Komponenta. kmin kmax

1. Mikrotalasne diode, integrisana kola, PIN diode.

1 1 1

10 100 100

2. Tranzistori i diode male snage. 10 1 k

3. Tranzistori snage, ispravljačke diode.

100 10 k

10 k 100 k

4. Slojni otpornici. 100 100 k Elektromagnetna kompatibilnost (EMC) je oblast istraživanja u savremenoj

elektronici, koja se bavi nivoom propustljivosti (susceptibilnosti) uređaja i mreža prema EM (elektromagnetnim) smetnjama. EM smetnje koje su naznačene na vodovima ili provedene vodovima sabiraju se sa korisnim signalom i izobličuju ga ili poništavaju (EMI). Ako su EMI smetnje dovoljno visoke energije dolazi do trajne promene funkcija na osetljivim kolima i na kraju do njihovog pregorevanja ili otkaza. Danas se umesto EMC susceptibilnosti sve više koristi izraz imunitet na EMI smetnje, pa tako elektronski uređaji sa većim imunitetom na EMI smetnje imaju u stvari manju EMC susceptibilnost [17].

Elektromagnetna interferencija i elektromagnetna kompatibilnosti (EMI/EMC) su prvi put istitucionalizovani u periodu između 1940 i 1950-te, uglavnom zbog šuma motora koji se provodio preko linija napajanja u osetljivu opremu. U ovom periodu kao i do kraja 1960-tih EMI/EMC je bila od glavnog interesa za vojsku da bi obezbedila elektromagnetsku kompatibilnost posebno unutar sistema oružanih snaga, kao što su avioni ili brodovi. Sa širenjem računara u 1970-tim i 1980-tim, interferencija od računara postala je značajan problem za televizijski prenos i radio prijem, kao i za sigurnosni radio prijem. Tako da je rešeno da se reguliše elektromagnetna emisija sa proizvoda u industriji. FCC (Federal Communication Commission − Savezna komisija za telekomunikacije SAD) je donela skup pravila da bi regulisala količinu emisije od bilo kog tipa kompjuterskog uređaja. Slično vlade evropskih zemalja su počele da kontrolišu emisiju sa elektronskih i računarskih uređaja. U tom periodu, EMI/EMC kontrola je bila ograničena na računare, periferne jedinice i računarske komunikacione uređaje [19]. U periodu posle 1990-te koncern


13

EMI/EMC se drastično proširio tako da su mnoge zemlje zakonski regulisale potrebu za EMI/EMC kontrolom svih proizvoda koji se uvoze u zemlju. Danas svetska elektronska industrija gubi oko 45 milijardi dolara samo na zamenu komponenti oštećenih putem komunikacije ručnog računara i personalnih računara [20]. Potiskivanje EMI smetnje vrši se oklapanjem, uzemljivanjem, odvođenjem na masu i filtriranjem na nivou sistema, pojedinačnog uređaja, sklopa i kritične komponente. Koji oblik EMI zaštite se primenjuje zavisi od namene i primene uređaja i njegove osetljivosti na EMI. Korišćenjem provodnih, magnetnih, dielektričnih, poluprovodničkih i drugih materijala razvijene su komponente za odvođenje impulsa, kapacitivni uvodnici, magnetno oklapajuća kućišta, magnetno oklopni kablovi za napajanje, filtriranje na konektorima, ravnim višežilnim kablovima, BNC i drugim priključcima.

Elektromagnetna prepreka (barijera) za slobodni talas u prostoru je ekran (metalna mrežica ili oklop) visoke provodnosti (Cu, Al, Fe..). Za nazračene ili provedene EMI smetnje, EM prepreka i ulazni filter na uređaju, su prvi krug EMI zaštite. EMI filter na modulu je drugi krug zaštite. EM prepreka tipa ekrana smanjuje amplitudu EM talasa iza prepreke time što dovodi EM energiju na spoljašnju površinu ekrana, a ako je ekran uzemljen odvodi deo te energije tj. indukovane struje na masu. Ukoliko nema uzemljenja efikasnost ekranizovanja je manja, jer se samo deo energije apsorbuje u ekranu – EM prepreci.

Za statička električna polja metalno kućište malih modula ili uređaja je idealna prepreka. Kod promenljivog električnog polja efikasnost ekrana zavisi od skin efekta tj. od dubine prodiranja skin sloja i frekvencije. Kod viših frekvencija dubina skin sloja je manja od debljine prepreke pa je apsorpcija veća.

Za magnetne talase feromagnetne prepreke su efikasne na niskim učestanostima, a neferomagnete ne utiču ništa na apsorciju magnetnog talasa. Na niskim frekvencijama indukovano magnetno polje je u fazi sa upadnim, a na visokim frekvencijama u protiv fazi, pa slabi upadni magnetni fluks.

Iz ove kratke analize sledi da upadno magnetno polje indukuje veće struje nego električno polje, pa se struje koje indukuje električno polje ponekad mogu zanemariti. Kod impulsnih polja postoji spektar frekvencija koje se različito apsorbuju zavisno od dubine skin sloja na EM preprekama tj. ekranima, a energija zarobljena u oklopu na kraju prelazi u toplotu.

Za ekraniranje se koriste feromagnetni i neferomagnetni materijali različitih debljina. Na granici metal-vazduh sa obe strane ekrana (EM prepreke) menja se talasna impedansa, pa dolazi do refleksije, a u materijalu do apsorpcije energije. Refleksija zavisi od talasne upadne impedanse EM polja (tip izvora, udaljenost, provodnost, permeabilnost, frekvencija) a ne od debljine prepreke. Apsorpcija ne zavisi od talasne impedanse nego od debljine prepreke, relativne permeabilnosti i kvadratnog korena iz frekvencije.

Magnetni materijali su dobri za EM prepreke na niskim učestanostima dok magnetna permeabilnost ne počne da opada sa frekvencijom, a iznad 100KHz nemagnetni materijali bolje apsorbuju energiju usled skin efekta i veće provodnosti. Nemagnetni materijali su bolji reflektori na svim frekvencijama EM upadnog zračenja.

Za ekraniranje se često na visokim frekvencijama koristi Al a ne Cu, jer je lakši i jevtiniji, zatim se manje koriste limovi i folije a više mrežice. Sita i mrežice treba da su gusti (što manja okca) i što deblje vlakno. Zaštita se postiže i metalizovanim tekstilom, tankim providnim metalnim slojem na staklu itd. Za niži nivo žaštite koriste se provodne boje sa metalnim prahovima. Na visokim frekvencijama zatvorena metalna kućišta čine EM prepreku od 120 dB, a boje i tekstil od 20-60 dB.


14

Nezavisno od oblika ekrana (oklop, mrežica, zaptivka) i mehaničkih osobina (savitljivost, težina itd) različiti materijali se mogu uporediti po efikasnosti ekraniranja odnosno slabljenju A (dB) datom u tabeli 1.2, prema literaturi [18].

Tabela 1.2. Efikasnost ekraniranja.

f (Hz) Slabljenje EMI signala A [dB] 1 2 3 4 5 za upadno H – polje 0.01M 30 50 43 - 42 0.1 M 45 44 56 - 60 1 M 60 57 70 - 69

za upadno E – polje 1M 105 130 130 105 140 10 M 105 110 124 95 126 100 M 105 92 112 85 106 1 G 90 40 46 75 100 10 G 90 24 37 65 100

1. Žičano sito (Monel-Fe,Cu,Ni,Mn), debljine 0.8 mm i veličine okca 1.6 mm. 2. Elastomer ojačan žičanim sitom, debljina sloja 6.4 mm, okca na situ 0.8 mm. 3. Elastomer ojačan žičanim sitom i obložen sa jedne strane metalnom Al folijom debljine

0.5mm, okca na situ 0.8 mm. 4. Elastomer u sendviču od dve Al folije po 0.4 mm. 5. Silikonski polimer debljine 5 mm : punilac prah Ag.

EMI problemi se pojavljuju kada se izvor šuma i elektronski uređaj osetljiv na uticaj EMI nalaze na međusobno bliskom rastojanju. Kao što je prikazano na slici 1.12.

Slika 1.12. a) Prostiranje EMI oblika, b) Model zaštite od šuma putem filtra [22].

Da bi se prevazišla EMI, potrebno je smanjiti veličinu šuma koju proizvodi izvor šuma ili usavršiti otpornost susednih uređaja. Maksimalno smanjenje se postiže kada je filtar fizički smešten što je bliže moguće izvoru šuma. Ulazno kolo za EMI zaštitu od provodnih smetnji prikazano je šematski na slici 1.13.


15

Slika 1.13. Ulazno kolo za EMI zaštitu [21].

Uloga odvodnika (varničar−gasna dioda) je da u toku 1-2 µs odvede veći deo energije impulsne EMI smetnje na masu (odvodnik radi diskontinualno). Redna impedansa Z sprečava prolazak veće struje ka ulazu u modul, a kad varistor provede ograničava struju prevodi deo energije u toplotu. Uloga varistora je da odvede prenapon iznad praga provođenja Vp na masu. On radi slično kao Cenerova dioda, ali u oba smera. podnosi veće struje i ima veće napone praga provođenja od Cenerova diode. Cinkoksidni (ZnO) varistori provode u toku 1−2 ns i menjaju kontinualno otpornost od reda 1GΩ na 1Ω, kad napon na njima pređe Vp (prag tunelskog efekta). Višeslojni varistori se prave za niže napone 12-40V i imaju veću kapacitivnost nego disk varistori, što na višim učestanostima smanjuje impedansu prema masi. Uloga pasivnih EMI/EMC filtara koji se stavljaju kao zaštitini moduli posle varistora je da slede EMI smetnje u željenom opsegu.

Tipična šema merenja, odnosa Vi/Vi* − unetog slabljenja, prikazana je na slici 1.14. Slabljenje prema gornjoj definiciji je dato kao : A [dB ] = 20 log [ Vi/Vi* ].

Zs

Zp RL

Rs

Vs

Slika 1.14. Redni i paralelni filtri Zs i Zp u mernom kolu od 50 ΩΩΩΩ ( Rs ulazna otpornost = RL izlazna otpornost potrošač =50 ΩΩΩΩ).

Ukoliko se u mernom kolu nalazi samo Zs redni filter (feritno jezgro sa nekoliko namotaja) onda se A [dB] nalazi na sledeći način :

As = 20 log [ (Vi / Vu) / (Vi*/Vu) ], (1.1)

gde je Vu ulazni signal. Kako je na osnovu razdelnika napona pre unošenja Zs u kolo

Vi /Vu = RL / (Rs +RL), (1.2)

a posle unošenja Zs u kolo

Vi*/Vu = RL / (Rs +Zs +RL), (1.3)

onda As postaje As = 20 log [RL/(Rs+RL)] / [(RL +Rs +Zs)]. (1.4)

Ukoliko je u kolu na slici 1.14 dodato Zp (kondenzator) a izbačeno Zs na sličan način se određuje Ap [dB]

Ap [dB] = 20 log [ (Vi /Vu) / (Vi*/Vu) ]. (1.5)

Gde je Vi/Vu i Vi*/Vu dato izrazima :


16

Vi/Vu = [ RL/(Rs+RL) ] i (1.6)

Vi*/Vu =[ (RLIIZp) / (Rs +RLIIZp) ]. (1.7)

Odakle se zamenom u Ap dobija sledeći izraz :

Ap = 20 log [RL/Rs+RL] /[(RLIIZp) / (Rs +RLIIZp)] (1.8)

Upotrebom rednog i paralelnog filtra Zs ili Zp dobijaju se krive kao na slikama 1.15 i 1.16, a istovremenom upotrebom oba filtra dobija se složeniji filtar sa karakteristikama kao na slici 1.17.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

1 10 100 1000

F [MHz]

Z [ΩΩΩΩ] ZZ1

Slika 1.15. Tipična kriva slabljenja EMI induktivnog rednog filtra L=50 nH (levo) i 5 µµµµH (desno) mereno na f = 100 KHz.

0

10

20

30

40

50

60

1 10 100 1000

F [MHz]

A [dB]

AB

Slika 1.16. Tipična kriva slabljenja EMI kapacitivnog paralelnog filtra C=2.2 nF (A) i 0.47 nF (B).


17

0

10

20

30

40

50

60

1 10 100 1000

F [MHz]

A [dB]

AB

Slika 1.17. Tipična kriva slabljenja EMI LC redno-paralelnog filtra: L= 5µµµµH (A) C=2.2nF, L=25 nH C=0.47 nH (B).

Kombinacijama Pi, T ili 2Pi i 2T dobijaju se filtri šireg opsega slabljenja i većeg intenziteta slabljenja. Jedan od problema pri izboru tipa filtra i prilagođenja njegove impedanse je obično to što impedansa izvora smetnji nije poznata (različita je od 50 Ω). Drugi problem je nelinearnost impedanse ferita, kao što je dato na slici 1.14. Treći peoblem je veličina parazitne kapacitivnosti i induktivnosti i povećanje otpornosti usled skin efekta. Četvrti problem je kako obezbediti značajnije slabljenje u vrlo širokom opsegu (1M-1G Hz). EMI filtri se koriste iako su nepoznate impedanse izvora smetnji i potrošača, koji se takođe menjaju sa frekvencijom, temperaturom i rasporedom komponenata i vodova. Tako se za slabljenje koje je ostvareno pri MIL mernim standardima od 50 Ω ne može tvrditi da se neće bitno promeniti na drugim učestanostima. Svojstva EMI filtra nisu ista na drugim frekvencijama i pri drugim impedansama, temperaturama, rasporedu komponeti i vodova. Realne komponente imaju parazitne veličine, pa se šema EMI filtra LC tipa prikazanog na slici 1.14 mora dopuniti parazitnim veličinama, kao na slici 1.18.

RL

CL

Rc

Lc

C

Zp

L

Slika 1.18. Ekvivalentna šema realnog EMI filtra sa parazitnim veličinama CL, RL i Lc, Rc.

Na niskim učestanostima kod serijske impedanse Zs dominantane su komponete ωL i RL, a na visokim učestanostima RL (skin efekat) i 1/ωCL, kao što je prikazano na slici 1.15. Kod paralelne impedanse Zp na niskim učestanostima impedansa je velika, ali na visokim ona ne pada baš na nulu, jer postoji parazitno Rc (skin efekat) i ωLc (parazitna induktivnost), pa kao na slici 1.16 posle maksimuma slabljenja, ono počinje da se smanjuje, ali nije tako malo kao na niskim učestanostima.

1.3. SMT moduli za EMI zaštitu


18

U elektronske sklopove niske gustine pakovanja komponenti (SMT(1 moduli sa SMT aktivnim i pasivnim komponentama za površinsku montažu), najčešće se ugrađuje samo takozvani drug krug EMI zaštite, dok je prvi krug rezervisan za ceo uređaj. U drugom krugu zaštite se očekuju samo one EMI smetnje koje su proizvedene lokalno (slabog intenziteta) i one provedene u kolo posle prvog kruga zaštite. Poznato je da prvu EM prepreku prelaze samo ultra brzi impulsi, dok se spori apsorbuju, pa se zato u drugom krugu zaštite koriste brzi odvodnici prenapona tipa čip varistora ili dve suprotne redno vezane oštre Zener diode (TVS).

Obe naprave su poluprovodničke, ali od dva različita poluprovodnika ZnO i Si. Mehanizam provođena je isti – lavinski proboj usled primenjenog električnog polja iznad praga prevođenja Vp (slike 1.19.−1.22.).

0

20

40

60

80

100

120

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

U [ V ]U1

U2

t [µµµµs]

Slika 1.19. Ulazni impulsi U1 i odziv debeloslojnog ZnO sendvič flip-čip varistora. Aktivna površina 9 mm2, debljina ZnO je 35 µµµµm, Cp = 0.5 nF na 10 KHz.

0,01

0,1

1

10

100

1000

-15 -10 -5 0 5

log I [mA]

U [V]

VARZ

Slika 1.20. UI DC karakteristike ZnO varistora (VAR) sa Vp=300V i TVS diode (Z) sa Vz=15V.

(1 SMT − Surface Mount Technology = Технологија површинске монтаже


19

0,01

0,1

1

10

0,1 1 10 100 1000

t [µµµµs]

P [kW]P

Slika 1.21. Snaga impulsa P za TVS (dvostruku Zener diodu) u funkciji od dužine trajanja imulsa td tj. dvostuke dužine vremena uspona prednje ivice impulsa. Veličina diode SOT 23.

Razlika između ZnO čip varistora i TVS-dioda je u probojnom naponu i maksimalnoj struji. Varistori se koriste od 24 – 2000 V, a TVS diode ispod 24 V. Kapacitivnost dioda je veća bar za red veličine nego kod varitora što doprinosi nagibu UI krive i brzini odziva. TVS diode propuštaju bar za red veličine veće struje u impulsima (u piku).

Iza odvodnika tipa varistora ili Zener diode postavljaju se pasivni SMT filtri. Pri analizi realnih EMI čip filtara i SMT komponenti koje čine složene EMI filtre najvažnije je ponašanje materijala za izradu komponenti koji predstavljaju radni (funkcionalni) materijal i ponašanje provodnika: Ni-ferita, BaTiO3 i PdAg paste za elektrode. Ni-Zn feriti i BaTiO3 sadrže dodatke (aditive) koji utiču na magnetnu i dielektričnu propustljivost. Stoga, treba dobro poznavati temperaturne i frekventne promene pomenutih materijala. Za manje vrednosti kapacitivnosti reda 10-100 pF u EMI opsegu koristi se porcelan kao dielektrik.


20

Frekvencijska promena svojstava NiZn ferita data je na slici 1.22.

1

10

100

1000

1 10 100 1000

F [kHz]

tg δ/µδ/µδ/µδ/µιιιι

[ 10 -5]

K1

K12

U17

Slika 1.22. Promena tgδδδδ/µµµµt sa frekvencijom za Ni-Zn ferite sastava: K1, K12 i U17 [16].

Kod NiZn ferita relaksacione pojave za µ' i µ'' su opsega od 50-200 MHz, za ε'

i ε'' u opsegu 10 kHz –10 MHz. µ se smanjuje, za opseg promene frekvencije od 1 KHz do 1MHz, za dva reda veličine. Često se za magnetno meke ferite daje Q faktor ili tg δ: Q= µ’/µ” = 1 / tg δ. Karakteristika tg δ/µi (µi –početna magnetna propustljivost) data je za nekoliko Ni-Zn ferita koji se koriste za redne filtre u EMI opsegu (slika 1.23). Pored toga postoji i značajan porast µi reda 20 % pri rastu temperature u opsegu od –60 do 500 0C.

Q faktor kondenzatora zavisi od vrste materijala izabranog kao dielektrik i ponašanja tog materijala na visokim frekvencijama. Vrednosti kapacitivnosti se kreću od 10 –1000 pF, pa dielektrici ne moraju imati visoku dielektričnu propustljivost. Bitno je da se ona održi po vrednosti na istom nivou u celom EMI opsegu i da bude temperaturno stabilna. Kao dielektrici se koriste titanati i porcelan ili tzv. NPO keramika (temperaturno stabilna). Q faktor je za kondenzatore definisan kao Q =ε'/ε''. Na slici 1.23 data je promena Q faktora za NPO ATC 700 dielektrik u EMI opsegu.

1

10

100

1000

10000

10 100 1000

F [MHz]

Q [ ] C1C2C3

Slika 1.23. Promena Q faktora NPO keramike u EMI opsegu C1=10pF, C2=100 pF i C3=1000 pF [16].

Dielektrična čvrstina dielektrika kao i zasićenje filtri magnetnim poljem su od

značaja za analizu svojstava ovih materijala i njihovu primenu. Te pojave su


21

analizirane na SMT čip komponetama : kao maksimalni dozvoljeni napon na kondenzatoru (pre proboja dielektrika) i struja u kalemu (da ne dođe do zasićenja ferita magnetnim poljem), itd.

1.3.1. Svojstva osnovnih SMT komponenti za EMI zaštitu Za potrebe EMI zaštite na SMT modulima i hibridnim kolima, razvijene su posebne čip komponente kao što su čip induktori i čip kondenzatori za visoke frekvencije, LC filtri i mreže filtara. Ove komponente su izrađene tehnologijom debelih slojeva (višeslojnom) za opseg rada od 10 MHz do 1 GHz, a za frekvencije iznad 1 GHz tankoslojnom tehnologijom na keramici sa nižom dielektričnom propustljivošću ili na Si podlogama. Veličina SMT EMI komponenti vezana je za snagu, tj. za struje kroz njih i napone na njima, frekvencijski opseg rada i stabilnost pomenutih karakteristika. Najminijaturnije među njima su reda 1 mm3, a najkrupnije reda 1cm3. Mreža EMI LC filtara su grupisane po 4 ili 8 i liče na SO 8 ili 16 kućišta za površinsku montažu. Maksimalni naponi za SMT komponente su reda 40 V, a maksimalne struje reda 500 mA i odnose se na najkrupnije EMI komponente.

Čip induktori su motane komponente za opsege rada do frekvencija reda 10 MHz [mH], a od 50 do 500 MHz su debeloslojne komponente [µH] sa slojevima NiZn ferita i provodnom PdAg pastom za namotaje. Iznad 1GHz koriste se feriti sa retkim zemljama i tankoslojni induktori [pH] na silicijumu ili na keramikama sa niskim εr. Na slici 1.24 date su frekvencijske karakteristike EMI čip induktora.

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

0,01 0,1 1 10 100 1000 10000

F [MHz]

Z [ΩΩΩΩ]ABCDEFGH

Slika 1.24. Impedansa EMI čip induktora: A,B,C motanih (100, 10 i 1 µµµµH) /dole-levo na slici/, D,E,F debeloslojnih (2.2 i 1 mH) i G, H tankoslojnih (6.8 i 1.5 nH) /gore-desno na slici/, mereno na 1MHz.

Treba imati u vidu da se maksimumi impedanse čip induktora pomeraju ka višim učestanostima za 15-20 % i opadaju po intenzitetu za 10-20 % ako se pored AC signala propušta i DC struja, jer sa DC predmagnećenjem raste fluks, a zbog zasićenja opada induktivnost L, µr i Q faktor. Osim pomenute nestabilnosti histerezisa sa promenom magnetnog polja (DC radne tačke) postoji i temperaturna nestabilnost histerezisa naročito u blizini Kirijeve tačke. Kod ferita sa većim vrednostima µr nestabilnost histerezisa sa temperaturom je više izražena pojava.

Čip kondenzatori za visoke frekvencije se prave od temperaturno stabilnog dielektrika (keramike) sa niskim εr (NPO keramika). Po tehnologiji izrade kondenzatori su višeslojni [nF], monolitni (presovani od praha, pa sinterovani) [100 pF] i tankoslojni [pF], za opsege iznad 1GHz. Po veličini čip kondenzatori su slični


22

kao čip induktori, a dimenzije im zavise od radnog napona i stabilnosti. Frekventne karakteristike EMI čip kondenzatora sa niskom parazitnom induktivnošću prikazane su na slici 1.25 kao slabljenje ulaznog signala koje kondenzatori unose.

Na osnovu čip induktora i čip kondenzatora mogu se realizovati redni i paraleni filtri pomenuti u prethodnom delu, ali se danas sve više za tu namenu koriste višeslojni LC čip EMI filtri.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

1 10 100 1000 10000

F [MHz]

A [dB]

C1- 22pFC2-47 pFC3-100pFC4-220pFC5-470pFC6-2.2nFC7-22nF

Slika 1.25. Slabljenje čip keramičkih kondenzatora u EMI opsegu.

Čip LC filtri i mreže LC filtara mogu biti različitih konstrukcija (T, Pi i druge), a realizuju se na malim LC jezgrima motanjem zavojaka ili debeloslojnom tehnologijom. Motane komponente imaju oštriju donju granicu početka slabljenja dok su debeloslojni filtri uži i pogodni su za opsege iznad 100 MHz. Karakteristike oba tipa čip LC filtara su date na slikama 1.26 i 1.27.

0

10

20

30

40

50

60

70

1 10 100 1000 10000

F [MHz]

A[dB]

LC1LC2LC3LC4LC5

Slika 1.26. Slabljenje LC EMI T filtara sa motanim induktorom 2L.

Debeloslojni čip LC filtri se grupišu na istoj podlozi kao grupe ili mreže EMI LC filtara dok se motani EMI filtri koriste pojedinačno. Mreže LC filtara imaju slične ili identične karakteristike kao LC pojedinačni filtri i mogu imati kratke priključke kao SO 8 ili 16 kućišta ili stopice za lemljenje sa istim korakom.


23

0

10

20

30

40

50

60

1 10 100 1000

F [MHz]

A [db]

LC-1LC-2LC-3LC-4LC-5

Slika 1.27. Višeslojni LC chip filtri T tipa: 2L konstantno + C koje se menja (1- 470pF, 2-220pF, 3- 100pF, 4-68pF, 5-22pF.

Čip EMI prigušnice za slabljenje zajedničkog moda prostiranja imaju dva čip

induktora u sebi, sa suprotno uvijenim namotajima, koji su magnetno spregnuti preko zajedničkog tela od NiZn ferita. Frekventne karakteristike čip prigušnica prikazne su na slici 1.28 za oba moda prostiranja.

0

100

200

300

400

500

600

700

1 10 100 1000

F [MHz]

Z [ΩΩΩΩ]Z1Z2Z1-NZ2-N

Slika 1.28. Višeslojne EMI čip prigušnice impedanse Z1 i Z2 pri potiskivanju zajedničkog moda prostiranja i Z1-N i Z2-N pri normalnom modu prostiranja.

Ovakve EMI čip komponente su sve više u primeni u savremenim modulima u telekomunikacijama.


24

1.4. Ni−−−−Zn feriti za EMI zaštitu

Ni-Zn feriti (Ni1-xZnxFe2O4) se dobijaju klasičnom keramičkom tehnologijom

koristeći kao polazne sirovine mikronske prahove NiO, ZnO i Fe2O3. Presovani u tražene oblike (geometrije), a zatim sinterovani na temperaturama od 1200-1400 0C Ni-Zn feriti imaju sve osobine sinterovane keramike, a kao magnetni materijal frekventni opseg primene od 1 MHz do 1 GHz zavisno od čistoće. Sadržaj Zn je mali, reda 0.5 % i manje za više frekvencije. Magnetna permeabilnost opada sa povećanjem učestanosti: realni deo µr opada, a imaginarni deo raste (gubici) u oblastima iznad 200-300 MHz. Dve pojave su karakteristične na tim frekvencijama: jači površinski efekat (skin efekat) na provodnicima i sopstvena rezonancija kalema, kada kalem menja karakter impedanse iz induktivne u kapacitivnu. Pored toga Ni-Zn feriti imaju i dielektrične osobine koje se menjaju sa povećanjem frekvencije. Na višim frekvencijama od 1MHz vrednost εr naglo opada do granične vrednosti reda 10-12. Na slici 1.29 i 1.30 data je promena magnetne permeabilnosti i dielektrične propustljuvosti Ni-Zn ferita u funkciji od frekvencije. Početna permeabilnost je manja za Ni-Zn ferite sa manjim sadržajem Zn, ali je frekventni opseg primene širi. Kirijeva tačka iznad koje se gube feromagnetna svojstva se sa smanjenjem udela Zn povećava sa 450 na 550 0C.

0,1

1

10

100

1000

1 10 100 1000F [MHz]

µµµµr [ ]M1M2

Slika 1.29. Promena magnetne permeabilnosti µµµµr Ni-Zn ferita u opsegu EMI/RFI frekvencija. M1- realni deo permeabilnosti, M2- imaginarni deo permeabilnosti.

Za veće frekvencije od 1 GHz se umesto Ni-Zn koristi Mn-Mg ferit, a mogu se još dodavati Co, Cu, Retke zemlje i drugi elementi. U opštoj formuli ferita spinel strukture (MO x Fe2O3 gde je M = Ni, Zn, Co, Mn, Mg, Cu) nalaze se dva atoma gvožđa. Ako se pet molekula gvožđe oksida vezuje sa MO dobija se ferit garnet strukture (MO x 5 Fe2O3 gde je M=Y,Ni, Co, Fe). Garneti i heksaferiti (MO x 6 Fe2O3 gde je M= Pb, Ba, Sr) se koriste kao magnetni materijali za nerecipročna mikrotalasna kola u opsegu 1 – 50 GHz. Osim toga heksaferiti su još i dobri permanentni magneti.


25

0

5

10

15

20

25

30

35

0,001 0,01 0,1 1 10 100 1000

F [MHz]

εεεεr [ ] Er1Er2

Slika 1.30. Promena dielektrične permitivnosti εεεεr Ni-Zn ferita u opsegu EMI/RFI frekvencija. Er1 - realni deo dielektrične permitivnosti, Er2 – imaginarni deo permitivnosti.

Specifična zapreminska otpornost Ni1-xZnxFe2O4 ferita je reda 105 –108 Ωm zavisno od čistoće polaznih prahova i sadržaja aditiva tj. substituenata x (0<x<0,05) u osnovnoj formuli. Pored toga za rad u EMI/RFI opsegu koriste se Ni-Zn feriti sa polimernim vezivom. Oni nemaju nagli skok gubitaka M2 na određenoj frekvenciji nego postepeni. Oni imaju i manju dielektričnu konstantu εr jer je vezivo polimer.

Kombinijući sve tri pomenute osobine ferita µr, εr i ρ, za potrebe EMI filtriranja nastale su različite feritne pasivne komponete tj. induktivne i složene komponete u elektronici: feriti za oklapanje i absorpciju, feritni filtri za napajanja, feritna jezgra sa više otvora, feritna jezgra za ravne višežilne kablove (flet kablove), feritna jezgra na konektorima, mikro-feritna jezgra i na kraju SMT čip EMI filtri.

1.4.1. Feritna jezgra za EMI zaštitu

EMI feritna jezgra za apsorpciju EM zračenja su pločasta, a sva ostala jezgra su kubična i imaju 0.5–4 namotaja. U zavisnosti od nominalne struje, feritna jezgra mogu biti minijaturna (kao čip induktori, prigušnice, EMI čip LC-filtri .itd.) ili klasična tj. reda nekoliko santimetara – za veće struje. Klasična jezgra se najčešće koriste za EMI filtre na ulaznim i izlaznim priključcima na uređajima ili blokovima za napajanje. JEZGRA ZA OKLAPANjE I APSORBCIJU ZRAČENjA

Feritna jezgra za oklapanje imaju oblik pločice ili kutije pravougaonog oblika i stavljaju se iznad i ispod procesora i osetljivih CMOS IC kola koji zrače visoke frekvencije i proizvode smetnje u svojoj okolini. Mogu se umesto ferita koristiti permaloj ili meko gvožđe. Feriti nikla Ni-Zn imaju prednost što imaju veliku specifičnu otpornost i služe kao magnetni oklop. Metalni oklopi se uglavnom uzemljuju zbog indukovanih smetnji u njima.

Apsorpcija viših učestanosti (reda GHz) može se obaviti na folijama tj. slojevima ferita debljine mm (Ni-Zn i Mn-Zn) koji kao vezivo imaju polimere (slika 1.31). Više od ferita za apsorpciju zračenja iznad nekoliko GHz se koristi prah grafita C ili srebra Ag kao punioca u pogodnom polimeru.


26

Slika 1.31. EMI feritne pločice za oklapanje CPU sa gornje i donje strane (prema PCB ploči): veličina 38 x 38 mm i debljina 2 mm (termički provodne pločice). FERITNA JEZGRA SA JEDNIM OTVOROM

Feritna jezgra sa jednim otvorom obuhvataju kablove za napajanje ili se navlače na kabl kao kratke cevčice sa debljim zidovima. Jedan prolaz kabla kroz otvor jezgra predstavlja 0.5 namotaja, dva prolaza 2.5, a tri 2.5 namotaja (slika 1.32 i 1.33). Ova jezgra se stavljaju na kablove za napajanje; radi lakšeg postavljanja obično su presečena uzduž na pola, a spajaju se plastičnim držačem.

Slika 1.32. EMI feritne cevčice koje se navlače na kabl.


27

Slika 1.33. EMI feritne – prepolovljene cevčice za postavljanje oko kabla za napajanje. Karakteristike ovih jezgara sa jednim otvorom zavise u prvom redu od feritnog materijala, dimenzija i broja namotaja. Na slikama 1.34 i 1.35 data je impedansa u funkciji od frekvencije za EMI opseg potiskivanja provedenih smetnji na kablovima. Jezgra sa jednim namotajem ne postižu više od 200-300 Ω, a sa dva namotaja 500-800Ω na 100MHz. Gubici u feritu se naglo povećavaju iznad 100 MHz, naročito za dva ili tri prolaza kroz otvor na feritu.

1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000

F [MHz]

Z [ΩΩΩΩ]

N1N2N3N4

Slika 1.34. Tipična kriva zavisnosti impedanse od frekvencije za feritna EMI jezgra oblika cevčice sa 1-4 namotaja (N1-N4 respektivno).

Dimenzije malih EMI feritnih cevčica se kreću od nekoliko mm do nekoliko cm. Namenjene su uglavnom za filtriranje EMI smetnji na kablovima za napajanje uređaja, a one manjih dimenzija služe za EMI filtriranje napajanja blokova (modula) unutar uređaja (drugi krug zaštite od provedenih smetnji).


28

1

10

100

1000

1 10 100 1000

F [MHz]

Z [ΩΩΩΩ]

N1N2

Slika 1.35. Impedansa feritnog EMI jezgra sa jednim prolazom kabla za napajanje (0.5 namotaja –N1 i 1.5 namotaja N2). Posebnu vrstu u ovoj grupi jezgara sa jednim otvorom čine feritna jezgra za filtriranje EMI smetnji na ravnim višežilnim kablovima (pljosnati-kablovi) koji se mnogo koriste u digitalnim uređajima, posebno u računarima. Na slici 1.36 prikazano je tipično feritno flet-jezgro, a na slici 1.37 njegove glavne karakteristike.

Slika 1.36. EMI feritna jezgra za filtriranje na pnjosnatim višežilnim kablovima.

0

100

200

300

400

1 10 100 1000

F [MHz]

Z [ΩΩΩΩ]

Slika 1.37. Zavisnost impedanse od frekvencije EMI feritnog jegra namenjenog za filtriranje po ravnim višežilnim kablovima [16].


29

FERITNA JEZGRA SA VIŠE OTVORA

EMI feritna jezgra sa više otvora imaju 2, 4, 6, 8, 16 ili 32 otvora prečnika 1-2 mm na istom feritnom telu. Jezgra sa manjim brojem otvora su kubnih dimenzija (mali valjak ili kvadar), a sa 8-32 su u obliku feritne šipke širine 1cm i debljine 2-3 mm sa dva reda otvora za višežilni konektor. Po navlačenju EMI filtra višežilni konektor se montira na štampanu ploču. Jezgra sa manjim brojem otvora služe za formiranje prigušnice – filtra jednim prolazom žice kroz sve otvore. Na slici 1.38 i 1.39 data su feritna jezgra sa više otvora i njihove glavne frekventne karakteristike [16].

Slika 1.38. EMI feritna jezgra sa više otvora.

-60

-50

-40

-30

-20

-10

01 10 100 1000F [MHz]

A [dB]

Slika 1.39. Zavisnost slabljenja A od frekvencije za jegro sa 4 otvora veličine 1cm3 i jedan redni prolaz žice kroz sve otvore (4 x ½ namotaja). Feritna jezgra sa 8-32 otvora za konektore sa više izvoda (iglica) ponašaju se pri promeni frekvencije vrlo slično kao flet jezgra (videti sliku 1.37). FERITNA JEZGRA ZA POVRŠINSKU MONTAŽU

Feritna EMI jezgra za površinsku montažu spadaju u posebnu grupu SMT komponenti čisto magnetnog ili kombinovanog tipa (sa dielektričnim materijalom), jer je i sam ferit magnetodielektrik. Ova klasa komponenti montira se na štampane ploče i hibridna kola kao treći krug zaštite od konduktivnih ili nazračenih smetnji ispred i iza nekih komponenti kojima smetaju EMI smetnje ili ih same proizvode; koriste se u TV,


30

Hi-Fi, mobilnim telefonima, računarima i vojnoj elektronici i telekomunikacijama i mnogim drugim osetljivim uređajima na EMI smetnje.

Postoje dve vrste ovih minijaturnih komponenti: čip induktori dimenzija 1-3 mm i LC – EMI feritni čip T ili P filtri dimenzija 3-5 mm. Na slici 1.40 prikazane su dimenzije ovih mikro filtara a na slikama 1.41 i 1.42 i njihove električne karakteristike [16].

Slika 1.40. Feritni LC - čip filtri za EMI opseg.

1

10

100

1000

1 10 100 1000

F [MHZ]

Z [ΩΩΩΩ]

Z1 R1X1 Z2R2 X2

Slika 1.41. Zavisnost impedanse Z, X i R od frekvencije feritne L čip prigušnice 1,6x0,8x0,8mm MLB 0450A i 0030A.

-60

-50

-40

-30

-20

-10

01 10 100 1000

F [MHz]

A [dB]

470pF220pF100pF68pF22pF

Slika 1.42. Zavisnost slabljenja LC EMI feritnog čip filtra od frekvencije. Za EMI filtriranje smetnji iznad 10 MHz ne mogu se koristiti motana mikro feritna jezgra se više namotaja jer je rezonantna frekvencija niska, a gubici usled parazitnih kapacitivnosti između namotaja postaju veliki. Ponašanje feritnih mikrojezgara je slično EMI jezgrima sa jednim ili nekoliko otvora u opsegu iznad 100 MHz.

Documents

Primena pasivnih komponenti