Drei Frequenzbereiche für die Verwendung von Ferritperlen

Unter allen Komponenten, die in der Elektronik verwendet werden, gibt es eine Art von Komponente, die mehr Kontroversen und Missverständnisse hervorruft als jede andere. Diese Komponente ist eine Ferritperle. Diese trügerisch einfachen Komponenten werden als Allheilmittel gegen EMI angepriesen, als Komponente zur Isolierung von Stromschienen und als Komponente zum Wiederherstellen getrennter Massen. Erstaunlich, dass eine kleine magnetische Komponente so viel bewirken kann!

Ich bin natürlich sarkastisch, denn die Wahrheit ist, dass Ferritperlen nur manchmal für diese Dinge gut sind, besonders wenn sie in einem Netzteil oder direkt an den Strompins von Komponenten in Hochgeschwindigkeits-PCBs angewendet werden. Bei der Beschäftigung mit dieser Gruppe von Anwendungen gibt es drei Hauptbereiche, in denen die Ferrite eingesetzt werden könnten.

1. An den Ausgangspins von Stromversorgungen
2. In Serie mit den VDD-Pins an digitalen ICs
3. Zwischen zwei Stromschienen, die vom selben Regler versorgt werden

Dies sind die drei häufigsten Verwendungen von Ferriten in Stromkreisen und bei Lasten. Interessant daran ist, dass dies das Verhalten von Ferriten in drei möglichen Frequenzbereichen widerspiegelt: DC (oder nahe DC), mittlere Frequenzen, die sich der Resonanz des Ferrits nähern, und sehr hohe Frequenzen bei oder jenseits der Ferritresonanz.

Es dreht sich alles um die Ausgangsimpedanz der Stromversorgung

Die Verwendung von Ferriten in den oben genannten drei Situationen mag keine offensichtliche Beziehung zur Ausgangsimpedanz der Stromversorgung haben, aber genau das ist es, was die Platzierung des Ferrits ändern kann, wenn sie wie oben beschrieben verwendet wird.

Im Allgemeinen ist es bevorzugt, dass die Ausgangsimpedanz einer Stromversorgung so niedrig wie möglich ist, damit keine Leistung verloren geht, während sie von der internen Regelungsschaltung zum Ausgangsport geliefert wird. Wenn eine Stromversorgung einem digitalen IC mit schnell schaltenden I/Os Leistung liefern muss, muss die Stromversorgung eine niedrige Impedanz bis zu möglichst hohen Frequenzen aufrechterhalten. Diese niedrige Impedanz muss sich in den hohen MHz-Bereich erstrecken, um die Leistungsintegrität zu gewährleisten.

Die Platzierung einer Ferritperle am Ausgang eines Stromversorgungskreises zum Zwecke der Filterung wird die Ausgangsimpedanz der Stromversorgung in der Nähe der Ferritresonanz erheblich erhöhen, wie die Kurven unten zeigen. Um mehr darüber zu erfahren, schauen Sie sich diese Präsentation von OMICRON Lab über die Ausgangsimpedanz der Stromversorgung an.

In dem obigen Bild zeigt die blaue Kurve die Ausgangsimpedanz von einer Stromversorgung mit der Ferritperle am Ausgang. Während es wahr ist, dass die Ferritperle hochfrequente Störungen filtert, die durch den Ausgang des Stromversorgungskreises geleitet werden könnten, schafft sie auch zwei Probleme in Hochgeschwindigkeitssystemen und RF-Systemen:

• Die Ferritperle resoniert mit den Kondensatoren, was zu erhöhtem Rauschen auf der Stromschiene führt
• Die zusätzliche Induktivität und der Widerstand der Ferritperle können mit der Regelungsschleife des Stromversorgungskreises interferieren

Wenn Sie sich einfach die Impedanzkurve einer typischen Ferritperle ansehen, sollte dies offensichtlich sein. Die Impedanz nähert sich einem Höhepunkt bei mittleren Frequenzen und wird hauptsächlich resistiv. Was sollte man sonst erwarten, wenn man eine Ferritperle am Ausgang eines Netzteils platziert?

Beispiel einer Ferritperlen-Impedanzkurve für die Teilenummer BLM18PG121SN1 von Murata.

Jetzt, da wir mit diesen Informationen ausgestattet sind, was passiert in den drei Situationen, in denen Ferrite wie oben aufgeführt platziert werden?

Langsame Reaktion bei hohen Frequenzen

Da die Ferritperle in der Nähe ihrer Resonanz resistiv wird, stört sie die Fähigkeit des Netzteils, schnell zu reagieren, wenn eine Last mit einer sehr schnellen Flankensteilheit Leistung anfordert. Wir können dies einfach anhand der Ausgangsimpedanz des Netzteils erkennen; wenn die Ausgangsimpedanz hoch ist, ist es schwierig für das Netzteil, in diesem Frequenzbereich zu reagieren. Dies führt zu größeren Spannungsschwankungen, wenn Transienten im PDN für eine digitale Komponente angeregt werden.

Dieses Verhalten ist jedoch genau das, was Sie möchten, wenn Sie versuchen, jegliches Hochfrequenzrauschen aus dem Netzteil herauszufiltern. Mit anderen Worten, wenn das Netzteil nur Gleichstrom liefern muss und Ihre Last immer im Gleichstrombetrieb arbeitet, dann spielt die hohe Ausgangsimpedanz des Netzteils bei mittleren Frequenzen keine Rolle. Wenn die Last immer DC ist, wird es nie Anforderungen für Strom bei schnellen Flankensteilheiten geben, also müssen wir uns keine Sorgen über Ripple im PDN machen, und die Ferritperle wird eine schöne Filterfunktion bieten.

Um mehr darüber zu erfahren, schauen Sie sich den Ausschnitt aus einer Podcast-Episode mit Heidi Barnes von Keysight an.

VDD-Rauschen überlagert auf Ausgangssignalen

Im vorherigen Abschnitt, in dem eine Ferritperle als Filterkomponente am Ausgang eines Netzteils verwendet und auf einen VDD-Pin gesetzt wird, trägt beides zu einem weiteren Problem bei, das an den Ausgängen von I/Os auf einer digitalen Komponente beobachtet wird. Wenn die Ferritperle auf einen VDD-Pin gesetzt wird, erhöht sie nun die Impedanz des gesamten PDN bis zu diesem Pin. Es ist im Grunde dasselbe, als würde man die Ausgangsimpedanz des Netzteils erhöhen, und das Ergebnis ist dasselbe Rauschen in der PDN-Spannung.

Ein Beispiel für eine Oszilloskopspur in dem Fall, dass das PDN eine hohe Impedanz hat, wird unten gezeigt. Diese hohe Impedanz kann entweder durch überschüssige Induktivität oder überschüssigen Widerstand entstehen; denken Sie daran, dass eine Ferritperle beides in unterschiedlichen Frequenzbereichen bietet. Wenn die hohe Impedanz mit einem hohen Strom interagiert, gibt das Produkt aus Impedanz und Stromwellenform eine Spannungswellenform.

Beispiel eines Messergebnisses für Spannungsschwankungen in einer PDN mit hoher Impedanz, die mit einem Testtaktsignal betrieben wird. Erfahren Sie mehr in diesem Artikel.

Bei beiden Fällen, ob der Ferrit am Ausgangspin des Netzteils oder am VDD-Pin der digitalen Last angebracht ist, wird das Rauschen dann auf das Spannungsniveau der Ausgangssignale überlagert, die direkt vom VDD-Pin versorgt werden. Dies ist ein Paradebeispiel für ein Problem der Leistungsintegrität, wie es am VDD-Pin beobachtet wird, das zu einem Problem der Signalintegrität wird, und es entsteht alles durch eine Verlangsamung der Reaktionszeit des PDN, wenn I/Os versuchen, große Ströme durch den VDD-Pin zu ziehen.

Isolation zwischen den Schienen

Die Platzierung eines Ferrits als isolierendes Element zwischen zwei von demselben Regler versorgten Stromschienen folgt der unten gezeigten Topologie. Hier haben wir einen einzigen Regler, der zwei Lasten versorgt; die Schienen an jeder Last sind mit einem einzigen Ferrit miteinander verbunden, und jede Schiene hat ihre eigene Kapazität.

Topologiediagramm, das die Platzierung einer Ferritperle zur Isolation zwischen zwei von derselben Stromversorgungsschaltung versorgten Lasten veranschaulicht.

Die Platzierung eines Ferrits als isolierendes Element zwischen den Schienen hat gemischte Ergebnisse. Einerseits erhöht die Platzierung des Ferrits die Impedanz entlang der Verbindung, sodass man höheres Rauschen am isolierten Schienenausgang erwarten würde. Wenn jedoch die Hauptleitung einen transienten Vorgang anregt, könnte man erwarten, dass der Ferrit dieses hochfrequente Rauschen filtert und verhindert, dass es die isolierte Schiene erreicht. Welches dieser Ergebnisse tritt also tatsächlich ein?

Die Antwort lautet „es kommt darauf an“. Insbesondere hängt es von den folgenden Faktoren ab:

1. Das Leistungsspektrum, das von der primären Last benötigt wird
2. Das Leistungsspektrum, das von der isolierten Last benötigt wird
3. Die Resonanzfrequenz des Ferrits

Dies sollte veranschaulichen, warum einige Messergebnisse zu dieser Angelegenheit widersprüchlich sind; es gibt keine feste Regel bezüglich des Wertes der Resonanzfrequenz des Ferrits, der in diesem Fall verwendet werden sollte.

Der Grund dafür ist, dass der Ferrit in der oben gezeigten Topologie eine Transferimpedanz erzeugt, die eine Funktion der Frequenz ist. Daher gibt es keine einfache Möglichkeit vorherzusagen, ob der Ferrit „schlecht“ ist, außer mit einer Impulsantwortberechnung, die in Mathematica, Matlab oder von Hand durchgeführt werden muss. Wenn Sie damit nicht vertraut sind, können Sie es mit einer SPICE-Simulation versuchen, oder Sie können eine Testplatine bauen und sie messen.

• Erfahren Sie mehr über die Verwendung von Ferritperlen in SPICE-Simulationen
• Sehen Sie Beispiele, bei denen Ferritperlen in der Isolation versagen

Welche Frequenzbereiche gelten für Ferrite?

Es wurden viele Informationen oben präsentiert, daher denke ich, dass es wichtig ist, die Platzierung von Ferriten mit ihrem entsprechenden Betriebsfrequenzbereich zu verknüpfen. Die untenstehende Tabelle fasst diese Betriebsregime zusammen, in denen Ferrite verwendet werden können und wo sie nicht verwendet werden sollten.

Ich denke, das gibt uns eine gute Faustregel für die Verwendung von Ferritperlen als Rauschfilterelemente: Wenn Ihre Schaltungen bei DC oder nur bei niedrigen Frequenzen arbeiten sollen, dann wird ein Ferrit höchstwahrscheinlich in Ordnung sein. Wenn Ihr Board jedoch digitale Hochgeschwindigkeitssignale verwendet, selbst mit einfachem SPI, sollten Sie den Ferrit nicht verwenden, um Rauschen zwischen Ihrer Stromversorgung und Ihren digitalen Lasten zu entfernen.

Ob Sie zuverlässige Leistungselektronik oder fortschrittliche digitale Systeme bauen müssen, nutzen Sie den kompletten Satz an PCB-Designfunktionen und erstklassige CAD-Tools in Altium Designer®. Um die Zusammenarbeit in der heutigen disziplinübergreifenden Umgebung zu implementieren, nutzen innovative Unternehmen die Altium 365™-Plattform, um Design-Daten einfach zu teilen und Projekte in die Fertigung zu bringen.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Starten Sie heute Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer + Altium 365.