Todo lo que Necesitas Saber Sobre Núcleos de Ferrita
Como se señalé en mi anterior artículo sobre el diseño de PDS, todo el enigma de las fuentes de alimentación ha estado plagado a lo largo de los años de una serie de reglas generales erróneas; reglas de diseño de "magia negra" y confusión sobre lo que funciona y lo que no.
Uno de los temas más controvertidos se centra en la utilización de los núcleos de ferrita como un medio para controlar y contener las interferencias electromagnéticas o EMI. Existe información contradictoria sobre el uso de núcleos de ferrita y es difícil determinar qué información es válida y cuál no. El verdadero desafío es que la información errónea parece ser válida debido a la gran cantidad de datos asociados con ella. Para aumentar la confusión, en las notas de aplicación de algunos circuitos integrados, los proveedores de componentes recomiendan el uso de núcleos de ferrita como un medio para eliminar la EMI.
Para ayudar a mitigar esta confusión, este artículo abordará varios temas que incluyen:
•¿Cuáles son los orígenes de los núcleos de ferrita?
• ¿Cuál es la historia de su uso?
• ¿Por qué se supone que el uso de núcleos de ferrita constituye una regla de diseño válida?
• ¿Qué sucede realmente cuando un núcleo de ferrita se coloca en serie con el cable de alimentación de un IC?
• ¿Qué haces cuando un proveedor de IC especifica el uso de núcleos de ferrita?
Como resultado de la discusión presentada aquí, se demostrará cómo el uso de núcleos de ferrita en serie con un cable de alimentación de un IC no elimina ni contiene EMI, sino que, de hecho, degrada el rendimiento del PDS.
Los Orígenes de los Núcleos de Ferrita
Para abordar el primer punto de confusión, los núcleos de ferrita no son núcleos. Son pequeños inductores. Lo que la gente llama un núcleo es en realidad un toroide. (Un toroide es una bobina de alambre aislado o esmaltado enrollado en forma de rosquilla hecha de polvo de hierro. Se utiliza como inductor en circuitos electrónicos, especialmente a bajas frecuencias, donde son necesarias inductancias comparativamente grandes. Se han utilizado desde siempre como los núcleos de transformadores). Para mantener la consistencia, nos referiremos a los inductores de ferrita como se hace en el resto de la industria: núcleos de ferrita.
Los núcleos de ferrita son componentes de montaje en superficie muy similares a otros componentes como resistencias y condensadores. Además, están disponibles en los mismos tamaños que estos otros componentes. En la Figura 1 se ilustra un paquete típico de núcleos de ferrita. Observa que la palabra núcleo está entre comillas ya que esta parte no es, de hecho, un núcleo.
Figura 1. Paquete típico de "núcleo" de ferrita
En términos de composición, los núcleos de ferrita están hechos de un material ferromagnético comúnmente conocido como ferrita. Este material se comporta como un inductor hecho de una bobina de alambre. El atractivo de este componente es que tiene una inductancia relativamente alta en un factor de forma pequeño. Típicamente, los núcleos de ferrita no están especificados por la cantidad de inductancia que tienen, sino por su impedancia a una frecuencia particular. Como se muestra en la Figura 2, la impedancia de un núcleo de ferrita es una función de frecuencia muy parecida a un inductor con una impedancia bastante baja a bajas frecuencias, que sube a un punto alto y luego cae.
Figura 2. Impedancia Típica de Núcleos de Ferrita Versus Frecuencia
La Historia del Uso de Núcleos de Ferrita
Los orígenes del uso de núcleos de ferrita en los diseños de PCB se remontan a fines de la década de 1980 cuando los dispositivos CMOS personalizados finalmente cambiaron lo suficientemente rápido como para crear frecuencias en la banda EMI. Los técnicos de EMI pegaron los núcleos de ferrita en los cables de alimentación de los dispositivos y el EMI desapareció porque la parte ya no podía cambiar lo suficientemente rápido como para crear las frecuencias que estaban en la banda EMI. Por lo tanto, el núcleo de ferrita era una tirita. Funcionó y evitó que la parte hiciera ruido, pero también impidió que la parte funcionara a velocidad (es decir, cambio rápido). Cuando se utilizaron por primera vez los núcleos de ferrita, la velocidad, en términos de bordes rápidos, no era un imperativo, de modo que así es como comenzó el uso de los núcleos de ferrita.
Para ilustrarlo mejor, cuando se colocó un núcleo de ferrita en serie con el cable de alimentación de un CI, se creó un circuito, como el que se muestra en la Figura 3.
Figura 3. IC con Núcleo de Ferrita en el Cable de Alimentación
Las frecuencias involucradas en la EMI radiada varían de 30MHz a 1GHZ para la mayoría de los productos. Cuando el IC intentó extraer energía a altas frecuencias de la fuente de alimentación, la impedancia del núcleo de ferrita le impidió hacerlo. Como resultado, no había frecuencias altas en el paquete IC para causar un problema de interferencia electromagnética (EMI). Esta es una de las dos formas de controlar EMI: eliminar la fuente o eliminar la antena. Esta técnica funcionó mientras no se esperaba que el IC o el ASIC funcionaran con bordes o relojes rápidos. Antes del uso de circuitos integrados de 130 nanómetros, la mayoría de los circuitos funcionaban lo suficientemente lento como para que no fuera necesaria una fuente de muy baja impedancia a altas frecuencias. Este fue en realidad un caso de PDS trabajando a pesar de los malos hábitos en lugar de debido a las buenas prácticas de ingeniería.
¿Qué Hacen Realmente los Núcleos de Ferrita?
Lo que sucede realmente cuando se coloca un núcleo de ferrita en serie con el cable de alimentación de un IC es que el rendimiento del PDS se degrada como lo ve el dispositivo aumentando su impedancia de salida. Es importante recordar que se espera que una fuente de alimentación sea una fuente de tensión, lo que significa que no importa cuánta corriente se extraiga, la tensión de salida sigue siendo la misma. En otras palabras, se espera que las fuentes de energía tengan una impedancia de salida nula o muy baja en todas las frecuencias para hacer su trabajo correctamente. Como se señaló anteriormente, eventualmente, la velocidad de los circuitos integrados aumentó hasta el punto de que la inserción de un núcleo de ferrita les impidió funcionar como deberían. La razón fue que la impedancia de salida del PDS era demasiado alta. La solución propuesta fue agregar un condensador después del inductor como se muestra en la Figura 4.
Figura 4. IC con Núcleo de Ferrita y Condensador en el Cable de Alimentación
Esto resolvió el problema operativo, pero devolvió el problema EMI. Entonces, el método recomendado para implementar este circuito fue cortar una isla en el plano Vdd. Esta tampoco es una alternativa válida (ver Referencia 1 al final de este blog).
Observa que en la Figura 4, el capacitor se llama "capacitor de derivación" entre comillas. La razón de las comillas es para llamar la atención sobre el hecho de que este condensador no está pasando por alto el ruido, sino que está sirviendo como una fuente de carga de alta frecuencia para que el ASIC pueda volver a cambiar rápidamente. Un nombre mucho mejor para estos condensadores es "cubos de coulomb", ya que funcionan como dispositivos de almacenamiento local (consulta mi artículo anterior JUEGO DE PODER: DISEÑO CON ÉXITO DE SISTEMAS DE ENTREGA DE POTENCIA, PARTE 1, para obtener más información sobre los cubos de coulomb).
¿Por Qué se Pone el Uso de Núcleos de Ferrita en las Notas de Aplicación?
Cabe señalar que en un ASIC de alta velocidad, el inductor y el condensador forman un filtro de paso bajo que evita que el ruido de alta frecuencia llegue al componente desde el lado del subsistema de potencia del sistema. Esta es la razón dada en la mayoría de las notas de aplicación para colocar núcleos de ferrita en serie con los cables de alimentación de los dispositivos PLL (bucle de bloqueo de fase) y otros circuitos de tipo "analógico" que incluyen un serializador / deserializador de alta velocidad (SERDES).
Los proveedores de circuitos integrados generalmente han recomendado el uso de núcleos de ferrita en sus notas de aplicaciones por un par de razones. Primero, el autor de la nota de aplicaciones dirá: "Siempre lo hemos hecho de esta manera y si no sigues nuestra nota de aplicación, no te garantizamos que el circuito funcionará correctamente", es razonable preguntar si la nota de aplicación se sigue exactamente, si el proveedor garantizará que el circuito funcionará. Muchas veces, la respuesta es "no". Esto ciertamente no te deja muy tranquilo al usar tu IC particular seleccionado.
La segunda razón que dará un proveedor para especificar el uso de un núcleo de ferrita es que el cordón está allí para evitar que el ruido en el subsistema de energía ingrese al circuito sensible. En Speeding Edge, hemos visto ejemplos de esto en circuitos de prueba reales. De hecho, el ruido está bloqueado, pero es probable que el rendimiento del circuito se degrade debido a un suministro de energía deficiente al circuito que se protege.
La Figura 5 muestra la forma de onda de salida de un enlace serial de 3.125 GB/S con un núcleo de ferrita en el cable de alimentación de la etapa de salida.
Figura 5. Salida de los Servidores de 3.125 Gb/S con Núcleo de Ferrita en el Cable de Alimentación
La Figura 6 es la misma salida con el núcleo de ferrita eliminado y el cable de alimentación conectado directamente a Vdd. Como se puede ver, la inserción del núcleo de ferrita en realidad hizo que el circuito funcionara peor que sin un núcleo de ferrita.
Figura 6. Salida de 3.125 Gb/S Serdes con Núcleo de Ferrita Eliminado del Cable de Alimentación
Esta es una medida de la cantidad que las variaciones en la tensión y la tensión de la fuente de alimentación afectan a la salida del dispositivo. Es posible realizar citadas mediciones para circuitos integrados digitales y PLL. La idea de que los circuitos integrados son simplemente "lógicos" y no necesitan este nivel de caracterización se ha quedado en los días de TTL cuando había una tolerancia tan alta a las variaciones de Vcc que no era necesario dar cuenta de ellos.
En realidad, un proveedor de IC debe poder asesorar a los usuarios sobre cómo crear un sistema de energía funcional. Cada vez que se recomienda agregar un núcleo de ferrita en el cable de alimentación de un dispositivo, se deben hacer cuatro preguntas al proveedor de IC:
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¿Hay algún problema que pueda resolverse agregando un núcleo de ferrita?
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¿El núcleo de ferrita realmente resuelve el problema?
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¿Puedo estar seguro de que la incorporación del núcleo de ferrita no genera un nuevo problema (como el que se muestra en la Figura 5)?
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¿Usar un núcleo de ferrita es la mejor manera de resolver el problema?
Nuestra experiencia ha sido que después de responder las preguntas uno y dos, los núcleos de ferrita se eliminan del diseño. Siempre que encontramos una nota de aplicación que recomienda el uso de núcleos de ferrita, llamamos al vendedor / autor de IC y le hacemos las cuatro preguntas anteriores. En ningún caso hemos encontrado que responder estas preguntas resulta en el acuerdo de que la incorporación de un núcleo de ferrita es una buena idea.
Si después del proceso anterior el vendedor aún insiste en el uso de núcleos de ferrita, es imperativo insistir en ver un circuito de prueba en el que el componente se use exactamente de la manera en que se pretende usar en el nuevo diseño. Si no existe un circuito de prueba, es bueno sospechar. En un caso, cuando teníamos problemas para lograr que un microprocesador funcionara correctamente, pedimos ver el circuito de prueba utilizado para llegar a la nota de aplicaciones y las especificaciones de la pieza. Nos dijeron que no había un circuito de prueba y que nunca había habido uno. Cuando preguntamos, "¿cómo saber si la pieza funciona correctamente?" La respuesta fue: "¡se las damos a nuestros clientes y nos dicen si funcionan!"
Resumen
En Speeding Edge, nuestra experiencia ha sido que el uso de núcleos de ferrita ha sido el resultado de una reacción instintiva, una tirita o un caso de aferrarse a malas prácticas en lugar de hacer una buena ingeniería. Como Lee Ritchey, presidente de Speeding Edge, señala: “En los más de 40 años de diseño de sistemas informáticos de alta velocidad y productos de red, nunca he usado un núcleo de ferrita en el cable de alimentación de un dispositivo, ya sea un PLL o un circuito analógico —Todos han funcionado según sus especificaciones y han pasado las pruebas apropiadas de EMI y ESD. En cambio, he determinado cuáles son los requisitos de "ondulación" de un circuito y diseñé el sistema de suministro de energía para cumplir con esos requisitos".
Referencias:
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Ritchey, Lee W. y Zasio, John J., "Correcto la primera vez, un manual práctico sobre PCB de alta velocidad y diseño de sistemas, volúmenes 1 y 2".
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