Ist die Verwendung von Ferriten in PDN-Simulationen sinnvoll?

Die Verwendung von Ferriten in einem PDN ist eine Designempfehlung, die oftmals nur mit unklaren Leitlinien und übermäßig verallgemeinerten Empfehlungen daher kommt. Wenn Sie einen Anwendungshinweis oder ein Referenzdesign sehen, in dem die Platzierung eines Ferrits in einem PDN empfohlen wird, stellt sich die folgende Frage: Sollten Sie dies in Ihrem spezifischen Design befolgen oder sollten Sie dies ignorieren und sich auf das Hinzufügen von Kapazität konzentrieren? Was ist, wenn Sie den Ferrit verwenden, um zwei Schienen zu isolieren?

Das sind zwei Fragen, die wir in diesem Artikel beantworten wollen. Es gibt dabei zwei typische Einsatzmöglichkeiten von Ferriten in einem PDN: als vermeintliches Filterelement (das direkt an einen VDD-Pin angeschlossen ist) oder als Sperrelement zwischen zwei verschiedenen Schienen. Der erste Fall sollte vermieden werden, doch der zweite Fall hat sich als vielversprechend erwiesen, wenn der Ferrit richtig ausgewählt und auf der geeigneten Schiene verwendet wird. Das können Sie in einer SPICE-Simulation im mittleren Frequenzbereich (bis etwa 1 GHz) untersuchen; genau darum geht es auch in diesem Artikel.

Ferritperlen in einem PDN: Filterung oder Isolierung?

Ich habe schon oft gesagt (und andere Designer werden mir da zustimmen), dass ein Ferrit in einem PDN die Induktivität des PDNs bei Zwischenfrequenzen erhöht. Das ist allgemein schon eine wirklich schlechte Idee, vor allem aber dann, wenn das PDN Komponenten unterstützen muss, die mit schnellen Flankenraten (etwa 1 ns oder weniger) schalten.

Zahlreiche Daten belegen diese Behauptung; insbesondere, wenn der Ferrit an eine Schiene angeschlossen ist, die Hochgeschwindigkeits-E/As mit Strom versorgt. Trotz allem ist dies des Öfteren in Anwendungshinweisen zu Leistungsreglern zu beobachten; die Verwendung von Ferriten wird hier das ein oder andere Mal aus dem Zusammenhang gerissen oder an Stellen eingesetzt, an denen sie keinen Sinn ergibt.

Allerdings habe auch ich schon Leiterplatten ohne Ferrit zur Isolierung entworfen; und das obwohl der Ferrit als Teil des Referenzdesigns empfohlen oder in einem Anwendungshinweis enthalten war. Ein anderer Autor dieses Blogs bestätigt diese Behauptung. Dazu gehört auch das Weglassen des Ferrits als Element, um eine Schiene von einer anderen zu isolieren, beispielsweise den VDD-Eingang und eine PLL-Stromschiene.

Diesen spezifischen Fall, also den der Verwendung von Ferrit als isolierendes Element zwischen zwei Schienen auf einem PDN, wollen wir uns mittels einer SPICE-Simulation in diesem Artikel einmal genauer ansehen. Im Wesentlichen wollen wir die Übertragungsimpedanz zwischen zwei Schienen auf einem PDN simulieren. Lesen Sie zuerst diesen Artikel, bevor Sie weiterlesen, um mehr über die Übertragungsimpedanz zu erfahren, sowie diesen Artikel über unsere grundlegende PDN-Simulation mit mehreren Kondensatoren. Ich fahre an dieser Stelle nun mit dem grundlegenden PDN-Simulationsmodell fort. Ich tue dies, indem ich eine Schiene hinzufüge und versuche, sie mit einem Ferrit zu isolieren.

Simulationsmodell mit einer Ferritperle

Das Simulationsmodell für unser PDN mit Ferrit umfasst dabei zwei Schienen: eine Versorgungsschiene für E/A und eine zusätzliche Schiene, die ein langsameres Schaltelement wie zum Beispiel eine PLL modelliert. Die PLL-Schiene wird mithilfe einer Ferritperle (manchmal auch Ferrit-Chip genannt) von der E/A-Schiene isoliert. Ziel unserer Simulation ist es, die Wirksamkeit eines typischen Ferrits als isolierendes Element zwischen diesen beiden Schienen zu untersuchen.

Die Entkopplungskondensatorbank besteht dabei aus 36 Kondensatoren mit verschiedenen Eigenresonanzfrequenzwerten (SRF-Werten), wie in einem früheren Artikel zur PDN-Simulation schon einmal dargelegt.

Der in der Simulation verwendete Ferrit hat die Bauteilnummer BLM18PG121SN1 von Murata. Dies wurde mithilfe einer parallelen RLC-Schaltung modelliert, die normalerweise in SPICE-Simulationen zur Darstellung von Ferriten verwendet wird. Mithilfe der Bandbreite, des Resonanzwiderstands und der Resonanzfrequenz kann der Ferrit mit R = 150 Ohm, L = 347 nH und 0,3603 pF modelliert werden. Beachten Sie, dass dies keine perfekte Darstellung des Ferrits ist; es ist aber das Beste, was ohne ein genaues Simulationsmodell für dieses Bauteil erreicht werden kann.

Während der Simulation modulieren wir den R-Wert des Ferrits, um dessen Auswirkungen auf die Rauschübertragung zwischen den beiden Schienen im Simulationsmodell nachvollziehen zu können. Mit dem früheren Entkopplungskondensatoren-Simulationsmodell und dem obigen Modell für den isolierenden Ferrit auf der PLL-Schiene haben wir nun alles, was wir für die Durchführung einer Simulation benötigen. Wir werden dazu verschiedene Fälle untersuchen, um entsprechend zwischen unterschiedlichen Rauschquellen unterscheiden zu können:

• Die Spannung an der PLL-Schiene, wenn nur die E/A-Schiene umschaltet
• Die Spannung an der PLL-Schiene, wenn sowohl die PLL, als auch die E/A umschaltet

In beiden Fällen können wir die gesamte Impedanzmatrix des PDN berechnen, wenn wir das wollen. Da wir zwei Schienen vorliegen haben, wäre das eine 2x2-Matrix, die die Stromaufnahme an Port n mit der an Port m gemessenen Spannung in Beziehung setzt:

Das obige Ziel Nr. 1 besteht darin, den Wert von Z21 in der Impedanzmatrix zu berechnen. Wir werden diesen wiederum verwenden, um die in der Simulation beobachteten Ergebnisse zu erklären. Um die Ausbreitung von Rauschen innerhalb der PLL-Schiene zu untersuchen, vergleichen wir die Wellenform der PLL-Schienenspannung mit jener der E/A-Schienenspannung.

Ergebnisse: E/A-Schienenschaltung, PLL-Ruhe

Die ersten Ergebnisse beim Vergleich der Spannung auf der E/A-Schiene mit jener der PLL-Schiene sind weiter unten aufgeführt. Die E/A-Schiene schaltet mit einer Anstiegszeit von 1 ns bei einer Frequenz von 1 MHz, während die PLL-Schiene nicht schaltet.

Die Wellenformen im Zeitbereich unten scheinen darauf hinzudeuten, dass der Ferrit keinen Einfluss auf die Rauschisolierung hat, unabhängig vom effektiven Parallelwiderstand oder der Induktivität des Ferrits. Tatsächlich scheint eine Erhöhung der Induktivität des Ferrits um den Faktor 1000 keine Auswirkung auf die Rauschisolierung zu haben.

Obwohl es nicht offensichtlich ist, gibt es jedoch einen sehr scharfen Übergang direkt auf der ansteigenden Flanke des E/A-Spannungssignals. Wenn wir die Ansicht einmal vergrößern, können wir sehen, dass diese steigende Flanke kein Artefakt ist, sondern eher mit einem Hochfrequenzpol in der Impedanz der E/A-Schiene (im Z11-Parameter) verbunden ist.

Jetzt können wir auch die Wirkung des Ferrits sehen. Es entsteht hochfrequentes Rauschen auf der E/A-Schiene, weil ein Pol im Z11-Parameter bei 631 MHz liegt. Derselbe Pol existiert im Übertragungsimpedanzspektrum (Z21), aber er hat hier zufällig eine viel niedrigere Impedanz. Allerdings wird der hochfrequente Teil des Einschwingvorgangs, wie oben gezeigt, durch die Platzierung des Ferrits stärker gedämpft. Es ist klar, dass der Standard-R/L-Wert im Ferritmodell der Faktor ist, der die Dämpfung des Einschwingverhaltens bestimmt (genau wie es bei jeder anderen RLC-Schaltung der Fall ist). Mit anderen Worten: Wir würden einen großen Widerstand und eine niedrige Induktivität bevorzugen, was der Begründung für die Verwendung eines Ferrits in einem PDN zuwiderläuft.

Im Gegensatz dazu scheint das tieffrequente Rauschen durch den Ferrit völlig unbeeinflusst zu bleiben. Das niederfrequente Rauschen bei 2,81 MHz ist auf beiden Schienen nahezu identisch. Daher würden wir auch erwarten, dass die Z-Parameter für diese Schienen und das Z21-Spektrum bei 2,81 MHz die gleichen Pole haben. Tatsächlich ist es das, was wir in den unten gezeigten Z-Parameter-Spektren auch sehen.

Wenn Sie die Selbstimpedanz der E/A-Schiene (Z11) mit dem Spektrum der Übertragungsimpedanz (Z21) vergleichen, wird folgendes deutlich: Am 631-MHz-Pol gibt es nur einen marginalen Vorteil und am 2,81-MHz-Pol (dem Hauptpol, auf den es ankommt) gar keinen. Obwohl es den Anschein hat, dass der Ferrit auf der PLL-Schiene für die Verringerung des Rauschens verantwortlich ist, verringert auch der Bypass-Kondensator das Rauschen dank seines SRF-Werts bei 1,59 GHz. Beide zusammen wirken ähnlich wie ein Kondensator mit kontrolliertem ESR, was letztlich zu einer hohen Dämpfung und geringerem Rauschen führt.

Ergebnisse: PLL-Schienenschaltung, E/A-Schaltung

Jetzt können wir untersuchen, wie sich das Vorhandensein des Ferrits auf das Einschalten der PLL-Schiene auswirkt. Die Ergebnisse der Transientenanalyse unten zeigen deutlich, wie die Schaltvorgänge in der PLL zu großen Spannungsschwankungen in der Schiene führen. Die roten und grünen Kurven zeigen dabei die PLL-Schienenspannung mit bzw. ohne Ferrit an. Sobald sich die PLL nach 5 us einschaltet (blau gestrichelte Kurve), sehen wir, dass die PLL-Schiene mit dem Ferrit große Spannungsspitzen aufweist. Diese Spitzen sind hingegen auf derselben PLL-Schiene mit entferntem Ferrit nicht zu sehen.

Wir können deutlich sehen, dass die PLL-Schiene wieder sauber ist, wenn wir den Ferrit entfernen (siehe die grüne Kurve oben). Tatsächlich sehen wir dann nicht einmal das Rauschen aus dem E/A-Bereich! Das sollte der Sargnagel für den Ferrit in diesem Design sein. Der Bypass-Kondensator ist also der tatsächliche große Rauschverminderer, nicht der Ferrit.

Die Ergebnisse bestätigen, dass mehr Kapazität eine vorteilhaftere Designänderung darstellt als etwa eine zusätzliche Induktivität. Dies verdeutlicht auch die erforderliche Designänderung an der E/A-Schiene: Fügen Sie einige kleine Kondensatoren hinzu, die direkt auf die 631-MHz-Spitze im PDN-Impedanzspektrum zielen.

Zusammenfassung

Was haben wir aus dieser Übung gelernt? Die Ergebnisse scheinen durchwachsen zu sein: Für den hochfrequenten Pol gibt es minimal akzeptable Ergebnisse, für den problematischeren niederfrequenten Pol keine. Es gibt vier wichtige Punkte:

1. Der Ferrit hat verhindert, dass hochfrequentes Rauschen von der E/A-Schiene die PLL-Schiene erreicht. Der Grund hierfür ist, dass sich der Pol im Widerstandsbereich des Ferrits befand; dieses wird mittels eines Vergleichs des auf der E/A-Schiene gemessenen E/A-Rauschens mit jenem auf der PLL-Schiene deutlich.
2. Der Bypass-Kondensator auf der PLL-Schiene trägt erheblich zur Isolierung bei, solange dieser richtig ausgewählt wird (so dass sein SRF nahe am Hochfrequenzpol liegt).
3. Der Ferrit hat absolut nichts dazu beigetragen, das niederfrequente Rauschen von der E/A-Schiene daran zu hindern, die PLL-Schiene zu erreichen. Selbst wenn die PLL mit nur 0,9 V betrieben würde, würde das niederfrequente Rauschen trotzdem erhebliche Störungen verursachen.
4. Wenn das simulierte PLL-Element mit nur langsamer Flanke schalten würde, würde die Induktivität des Ferrits sehr große Spitzen auf der PLL-Schiene verursachen.

Insgesamt sieht es also so aus, als ob der Ferrit dort, wo er gebraucht wurde, keine große Hilfe war. Zudem konnten wir aus dem Versuch ableiten, dass das Hinzufügen von sorgfältig ausgewählten Kondensatoren die gleichen Vorteile wie der Ferrit bietet, ohne jedoch die für das Ferrit typischen Probleme zu verursachen. Anhand der Impedanzkurve der Perle können wir erkennen, dass diese bei niedrigen Frequenzen praktisch keine zusätzliche Dämpfung bietet. Wir würden also auch nicht erwarten, dass das niederfrequente Rauschen gedämpft wird. Das niederfrequente Rauschen kann stattdessen bekämpft werden, indem ein großer Kondensator (mit einem SRF = 2,81 MHz) auf beiden Schienen eingesetzt wird.

Sollten Sie also einen Ferrit zur Isolierung in Ihrer PDN verwenden? Seien Sie vorsichtig damit. Es hängt maßgeblich von dem Frequenzbereich ab, gegen den Sie isolieren müssen. Außerdem sollten Sie sicherstellen, dass der Ferrit kein neues Rauschproblem auf der isolierten Schiene verursacht. Wenn Sie meinen, dass Sie in Ihrem PDN einen Ferrit zur Schienenisolierung verwenden müssen, stellen Sie sicher, dass Sie dies zunächst simulieren, um zu testen, dass der Ferrit auch wirklich den beabsichtigten Zweck erfüllt.

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