Posición de la perla de ferrita

Estoy investigando información sobre condensadores de desacoplamiento y encontré información sobre perlas de ferrita de TI :

Las perlas de ferrita son herramientas muy útiles para tener en su arsenal de diseño de circuitos. Sin embargo, no son una buena idea para todos los rieles de potencia del circuito. Las perlas de ferrita absorben con eficacia los transitorios de alta frecuencia aumentando su resistencia a frecuencias más altas. Esto los hace muy buenos para evitar que el ruido de la fuente de alimentación llegue a las secciones sensibles del circuito, sin embargo, también los convierte en una muy mala idea para la alimentación digital principal.

Cuándo usarlos:

Úselos en trazas de potencia en serie con secciones de circuitos analógicos como video compuesto o PLL. Estas perlas cortan efectivamente el flujo de energía en momentos de transitorios de alto ruido, lo que permite que la energía se extraiga solo de los capacitores de desacoplamiento que están aguas abajo. Esto reduce considerablemente el ruido en las secciones sensibles del circuito.

Cómo usarlos:

Deben usarse perlas de ferrita entre dos condensadores a tierra. Esto forma un filtro Pi y reduce considerablemente la cantidad de ruido en el suministro. En la práctica, el capacitor en el lado del chip debe colocarse lo más cerca posible de la bola de suministro del chip. La ubicación de la perla de ferrita y la ubicación del capacitor de entrada no es tan crucial.

Si no hay espacio para que dos condensadores formen un filtro Pi, lo mejor que puede hacer es eliminar el condensador de entrada. El condensador del lado del chip siempre debe estar allí. Esto es muy importante. De lo contrario, el aumento de la resistencia de alta frecuencia de las perlas de ferrita puede empeorar las cosas en lugar de mejorarlas, ya que habrá almacenamiento de energía local en el lado del chip y, por lo tanto, no habrá forma de obtener los pulsos de potencia de pico alto en el chip que tan desesperadamente necesita.

Cuándo no usarlos:

Las características de ferrita anteriores son muy útiles para aquellas secciones de circuito que consumen energía de manera uniforme y consistente, pero las mismas características las hacen inadecuadas para las secciones de energía digital. Los procesadores digitales necesitan una corriente de pico alta, porque la mayoría de los transistores internos que se activan se activan en cada flanco del reloj, toda la demanda se produce a la vez. Las perlas de ferrita (por definición) no permitirán que la energía fluya a través de ellas con las altas tasas de rampa requeridas por la lógica del procesador digital. Esto es lo que los hace perfectos para el filtrado de ruido en suministros analógicos (como PLL).

Dado que toda la demanda de energía en el sistema digital es instantánea (alta frecuencia), en lugar de ser una demanda lenta y constante, las perlas de ferrita bloquearán el suministro digital durante los picos. Teóricamente, los condensadores de derivación en el lado del procesador de la perla suministrarían la corriente máxima, llenando los huecos causados ​​por las ferritas hasta que se cargaran después de que el pico hubiera terminado, pero en realidad, la impedancia incluso de los mejores condensadores es demasiado alta. por encima de unos 200 MHz para suministrar suficiente potencia máxima para el procesador. En sistemas sin ferritas, la capacitancia planar puede ayudar a llenar este vacío, pero si se usa una ferrita, se inserta entre los planos y el pin de alimentación, por lo que se pierden los beneficios de la capacitancia planar. Esto causará una gran caída de voltaje instantánea durante el período en que el procesador más lo necesita. causando errores lógicos y un comportamiento extraño si no se bloquea inmediatamente. Esto se puede evitar con un diseño adecuado si su sistema lo requiere (para la reducción de EMI, por ejemplo), sin embargo, esto está más allá del alcance de esta nota.

Creo que debería examinar cómo se ve su espectro de corriente de conmutación. Si sus circuitos digitales requieren grandes transitorios de corriente, no debe usar una perla de ferrita en ellos.

Actualmente tengo la mentalidad de que la perla de ferrita es útil en ciertas aplicaciones muy específicas, pero se usa principalmente como una curita cuando surgen problemas que deben resolverse examinando la red de suministro de energía.

Si bien sería bueno ver algunos gráficos u otros datos, lo que leo aquí de TI suena plausible. ¿Qué piensan ustedes al respecto?

No estoy de acuerdo con Spehro: la imagen correcta es mucho mejor, es decir, menos resonante. El circuito de la izquierda verá "antiresonancia": a cierta frecuencia en el rango de 100MHz, el límite de 10uF comenzará a parecerse a un inductor, mientras que el capacitor de .1uF seguirá pareciendo un capacitor, haciendo que ambos se comporten. como un circuito de tanque LC. Alrededor de esa frecuencia, este circuito del tanque no se hundirá ni generará ninguna corriente, sino que simplemente la moverá de un lado a otro como un enjuague bucal, por lo que las dos tapas juntas tendrán una impedancia muy alta, lo que las hace difíciles de desacoplar.

Como regla general muy amplia, es una mala idea tener dos tapas de cerámica en el mismo riel que sean muy diferentes en capacitancia, sin otros valores intermedios allí también. (Por ejemplo, puede colocar .1uF y .68uF, 2.2uF y 10uF en el mismo riel, pero si solo tiene .1uF y 10uF, es posible que tenga problemas).

La figura de la derecha tiene una ferrita entre los capacitores que no coinciden, amortiguando el circuito del tanque LC con una resistencia (porque las ferritas son resistivas por encima de 100 MHz, no inductivas) y esto evita que las tapas interfieran entre sí.

Otra solución sería usar una tapa de tantalio o electrolítica para los 10uF, porque su resistencia ESR incorporada también amortiguaría el circuito del tanque (pero esa tapa sería inútil para filtrar el ruido de alta frecuencia).

Obtengo todo esto de una nota de aplicación realmente útil de Murata .

Allí se pueden encontrar muchas combinaciones ingeniosas de ferritas, inductores y tapas utilizadas para el desacoplamiento.

Mi placa incluirá duplicadores/inversores de voltaje como ADM660 y un microcontrolador, que generará dos TTl de 5 kHz y 5 V fuera de fase para controlar el espejo EM. Cuando el cable de mis auriculares toca la placa, puedo escuchar el timbre en mis auriculares. Entonces, creo que tales ruidos afectarán a otros ADC, DAC, OpAmps, CPLD que están en la placa. Pensé que sería bueno poner una perla de ferrita en cada línea de suministro de energía. Además, ¿qué tipo de perla de ferrita funcionaría mejor para TTL de onda cuadrada de 10 MHz?

Le insto a que lea este documento. Algunos de los puntos más destacados que he señalado a continuación: -

Resumen: probablemente sea mejor no usar perlas de ferrita porque solo comienzan a funcionar por encima de los 30 MHz.

Básicamente, creo que es mejor dejar algunos de los problemas que podría estar tratando de resolver en el campo del "inductor", mientras que tal vez la onda cuadrada de 10 MHz (y, lo que es más importante, sus armónicos) se puede tratar con perlas de ferrita.

Sin embargo, mi consejo generalmente es: use planos de tierra seguidos de un muy buen desacoplamiento de capacitores en todas las fuentes de alimentación del chip y, si puede, use resistencias pequeñas que alimentan energía a lugares vulnerables (tal vez de 1 ohm a 10 ohm). Si esto no tiene éxito, me gustaría saber por qué y posiblemente mejorar la conexión a tierra y el desacoplamiento antes de insertar inductores y, ciertamente, antes de considerar las perlas de ferrita.

Ambas configuraciones pueden funcionar. Lo que es mejor se rige por los valores de los condensadores, sus ESL y la red de suministro de energía aguas abajo.

En la configuración de la izquierda, el PDN debe proporcionar una ruta de baja impedancia a frecuencias más bajas. Este es el requisito para que esta configuración funcione.

La ventaja potencial de conectar dos condensadores en paralelo es una impedancia de potencia más baja en un rango más amplio (suponiendo que 0,1 uF y 10 uF cubran diferentes rangos de frecuencia). En cuanto a la notoria antirresonancia de los dos condensadores, observe las curvas de frecuencia de impedancia. La situación cuando sucede es cuando un capacitor sigue siendo capacitor y otro es un inductor. Éste no debería ser el caso. Entonces, la respuesta proporcionada por Spehro también tiene sentido.

En cuanto a la configuración correcta, también puede funcionar. Pero tenga en cuenta que C1 es el único que proporciona energía cuando la perla está cerrada, por lo que su responsabilidad es enorme. Es posible que no se necesite el condensador más grande de la izquierda en las proximidades (como se supone en la imagen, supongo). Si la perla se cierra antes (por ejemplo, en unidades de MHz o decenas de MHz), entonces debería proporcionar una ruta de baja impedancia en frecuencias de kHz (o unidades de MHz) donde los requisitos de ubicación son relajados (ya que la longitud de onda de la luz es del orden de decenas de metros). en estas frecuencias). Pero depende

Apéndice

A continuación se presentan algunas consideraciones generales referentes a perlas de ferrita que pueden resultar interesantes.

Considere por simplicidad la configuración con un solo capacitor. El propósito principal del segundo condensador en la configuración de pi es proporcionar baja impedancia para alimentar a frecuencias más bajas:

Valor de capacitancia requerido

La nota de aplicación de Murata , página 11, dice

Supongo que la forma en que derivó la fórmula fue la siguiente. Supusieron que la reactancia del inductor y el capacitor eran iguales (Lw=1/cw), calcularon la frecuencia y expresaron Zt en términos de frecuencia para obtener la ecuación. Esto no es correcto en general. Primero, la impedancia de un capacitor en general no es igual a 1/Cw, especialmente a altas frecuencias donde domina ESL. En segundo lugar, la impedancia del capacitor debe ser mucho (órdenes de magnitud) más pequeña que la impedancia del inductor, no solo más pequeña (2x o 3x veces más pequeña no funcionaría).

La forma correcta sería comparar las curvas de impedancia-frecuencia del capacitor y el inductor (teniendo en cuenta la polarización de CC utilizada, idealmente) y asegurarse de que la impedancia del capacitor sea mucho menor que la impedancia del inductor donde debe ser . No es simplemente un valor de capacitancia necesario. El valor requerido de la impedancia del capacitor (a alguna frecuencia) puede calcularse como deltaV/corriente, donde deltaV es una fluctuación de voltaje permitida y corriente es la amplitud de corriente a esta frecuencia.

Funcionamiento de una perla de ferrita

Consideremos como ejemplo esta cuenta BLM03AX241SN1 :

La impedancia típica de una red de suministro de energía (PDN) vista en PCB con planos de alimentación/tierra es de cientos de mOhm a unidades de Ohms. Entonces, la perla es efectivamente una conexión abierta (resistencia ~ 100 Ohm) a partir de varios MHz.

Significa que todo el PDN está cortado del chip. Toda esperanza es para el capacitor. Por lo tanto, la importancia del condensador , si se utiliza una perla de ferrita, se vuelve primordial. El condensador elegido incorrectamente haría que el chip no funcionara. La tapa de derivación mal seleccionada no sería un problema si no se usa una perla debido a la acción de otros condensadores (en paralelo).

Caída de IR a bajas frecuencias

Las perlas de ferrita para el filtrado de energía generalmente se diseñan como inductores de bajo q para evitar la resonancia parásita. Por lo tanto, la resistencia de CC de las perlas de ferrita se hace intencionalmente alta. A menudo es de unos 500 mOhm o incluso de varios Ohms. Seleccione una perla con una resistencia DC adecuada (existen series especiales para líneas eléctricas con resistencia DC relativamente baja). Asegúrese de que puede tolerar la caída de IR dada su corriente de CC (por ejemplo, una corriente de 10 mA a 500 mOhm produce una caída de 5 mV).

Altas frecuencias (>500 MHz)

El inductor está abierto. La impedancia del capacitor probablemente sea relativamente alta (~500 mOhm o incluso Ohms).

Sin la perla, otros condensadores en el tablero, así como la capacitancia plana de los planos de potencia, funcionan para nosotros. Y todos están en paralelo al condensador de derivación que reduce la impedancia de PDN. Sí, otros condensadores pueden estar ubicados lejos, pero la inductancia plana de los planos de potencia también es muy pequeña (la corriente está menos concentrada que cuando fluye en una traza). Entonces, todos tienen alguna entrada positiva, a pesar de la inductancia en el camino hacia ellos.

Esta es la razón por la que no se recomiendan perlas de ferrita en circuitos de alta corriente y alta frecuencia (por ejemplo, procesadores digitales), porque cada cien mOhm de impedancia PDN adicional puede ser crítico.

Resumen

Una perla de ferrita puede ser útil para bloquear eficazmente el ruido externo (o viceversa, el ruido del chip) dentro de un rango de frecuencia, mientras proporciona una conexión de CC (para cargar la tapa de derivación). Una perla puede tener una resistencia de CC sustancial que produzca una caída de voltaje de CC. Una perla aumenta la impedancia general de PDN (supongo, en todas las frecuencias), lo que podría no ser bienvenido en altas frecuencias, donde los condensadores dejan de funcionar bien. La elección de la tapa de derivación se vuelve primordial. Siempre use curvas de impedancia-frecuencia tanto para el capacitor como para el inductor (no solo valores simples de L y C).

Evitaría la disposición de la mano derecha porque es más probable que resulte en un comportamiento resonante indeseable (medido en Vout) en algunas frecuencias.

Esto puede ser útil.

No soy un experto en filtros, pero el circuito de la derecha forma un filtro tipo pi. Ejecuté una simulación con LT Spice IV (¡es gratis!) investigando estas dos configuraciones para algo en lo que estoy trabajando. El circuito de la derecha funciona tan bien como el circuito de la izquierda por lo que puedo decir. tenga en cuenta que no usé los valores exactos de su circuito. Estos arreglos atenúan bien (forma de onda roja). La forma de onda verde es una onda cuadrada de +/- 100 mV a 25 MHz. Mi inductor: 600 ohmios a 100 MHz (1,9 uH), los límites son 0,1 uF y 0,01 uF. Hay un rendimiento ligeramente mejor cuando la tapa más grande se coloca más cerca de la fuente de ruido. Si mueve la perla de ferrita para que esté lo más cerca posible de la carga, produce el peor rendimiento, pero se atenúa (forma de onda azul).