Modelos de perlas de ferrita e impedancia de transferencia en una simulación PDN

El uso de ferrita en una PDN es una recomendación de diseño repleta de directrices poco claras y de recomendaciones demasiado generales. Si ves una nota de aplicación o un diseño de referencia que recomienda colocar una perla de ferrita en una PDN, ¿deberías seguirlo en tu propio diseño o deberías ignorarlo y centrarte en añadir capacitancia? ¿Y si utilizas la perla de ferrita para aislar dos rieles?

Estas son dos preguntas que pretendemos responder en este artículo. Pueden darse dos usos típicos de la perla de ferrita en una PDN: como un supuesto elemento de filtrado conectado directamente a un pin VDD o como un elemento de bloqueo entre dos rieles diferentes. El primer caso debe evitarse, pero el segundo ha demostrado ser prometedor si la ferrita se elige correctamente y se utiliza en el riel adecuado. Esto es algo que puedes examinar en una simulación SPICE en un intervalo de frecuencia intermedio (hasta aproximadamente 1 GHz), y es lo que voy a analizar en este artículo.

Perlas de ferrita en una PDN: ¿filtrar o aislar?

He afirmado muchas veces, y otros diseñadores de PCB estarán de acuerdo, que colocar una perla de ferrita en una PDN le añadirá inductancia a frecuencias intermedias, lo que suele ser una mala idea si la PDN necesita soportar componentes que conmutan a velocidades de flanco rápidas (de aproximadamente 1 ns o menos). Muchos datos respaldan esta afirmación, sobre todo cuando la perla de ferrita está conectada a un riel que suministra energía a las E/S de alta velocidad. Aun así, se trata de algo habitual en las notas de aplicación sobre los reguladores de potencia en general y el uso de la ferrita suele sacarse de contexto o aplicarse donde no tiene sentido.

Dicho esto, he diseñado placas de PCB sin ferrita para el aislamiento, aunque se recomendara la perla de ferrita como parte del diseño de referencia o estuviera indicado en una nota de aplicación. En este post sobre los núcleos de ferrita se respalda esta afirmación. Esto incluye omitir la perla de ferrita como elemento para aislar un riel de otro, como la entrada VDD y un riel de alimentación PLL.

Este ejemplo de uso de la ferrita como elemento aislante entre dos rieles en una PDN es lo que queremos analizar en una simulación SPICE en este artículo. Básicamente, queremos simular la impedancia de transferencia entre dos rieles en una PDN. Lee este artículo para obtener más información sobre la impedancia de transferencia antes de continuar, así como este otro artículo sobre el análisis de impedancia de PDN en SPICE, en el que se analiza nuestra simulación básica de PDN con múltiples capacitores. Continuaré con el modelo básico de simulación PDN, añadiendo un riel e intentando aislarlo con ferrita.

Modelo de simulación con una perla de ferrita

El modelo de simulación de nuestra PDN con perla de ferrita incluye dos rieles: un riel de alimentación para las E/S y un riel adicional que modela un elemento de conmutación más lento, como un PLL. El riel PLL se aísla del riel de E/S mediante una perla de ferrita (a veces llamada chip de ferrita). El objetivo de nuestra simulación es examinar la eficacia de una ferrita típica como elemento aislante entre estos dos rieles.

El banco de condensadores de desacoplamiento consta de 36 condensadores con varios valores de frecuencia de autorresonancia (SRF), como se muestra en un artículo previo sobre la simulación de PDN.

La perla de ferrita utilizada en la simulación es el componente número BLM18PG121SN1 de Murata. Esta se modeló mediante un circuito RLC paralelo, como los que se suelen utilizar en las simulaciones SPICE para representar ferritas. Usando el ancho de banda, la resistencia en resonancia y la frecuencia de resonancia, la ferrita se puede modelar tomando R = 150 ohmios, L = 347 nH y 0,3603 pF. Ten en cuenta que no se trata de una representación perfecta de la ferrita, pero es lo mejor que se puede hacer sin un modelo de simulación específico para este componente.

Durante la simulación, modularemos el valor R de la ferrita solo para ver sus efectos en la transferencia de ruido entre los dos rieles del modelo de simulación. Con el modelo anterior de simulación del condensador de desacoplamiento y el de la ferrita aislante en el riel del PLL, ya tenemos todo lo necesario para llevar a cabo una simulación. Examinaremos algunos casos para distinguir entre diferentes fuentes de ruido:

• El voltaje en el riel PLL cuando solo conmuta el riel de E/S.
• El voltaje en el riel PLL cuando el PLL conmuta y el E/S conmuta.

Ambos casos nos permiten, si así lo queremos, calcular la matriz de impedancia completa de la PDN. Como tenemos dos rieles, esta sería una matriz 2x2, que relacionaría el consumo de corriente en el puerto n con el voltaje medido en el puerto m:

El objetivo n.º 1 anterior equivale a calcular Z21 en la matriz de impedancia. Utilizaremos esto para ayudar a explicar los resultados observados en la simulación. Para examinar la propagación del ruido en el riel PLL, compararemos su forma de onda de tensión con la forma de la onda de tensión del riel de E/S.

Resultados: conmutación del riel de E/S, PLL silencioso

A continuación, se muestran los resultados iniciales que comparan la tensión del riel de E/S con la tensión del de PLL. El riel de E/S conmuta con un tiempo de subida de 1 ns a una frecuencia de 1 MHz, mientras que el riel PLL no conmuta.

Las formas de onda en el dominio del tiempo que se muestran a continuación parecen sugerir que la ferrita no tiene ningún efecto sobre el aislamiento del ruido, independientemente de la resistencia e inductancia paralelas efectivas de la ferrita. De hecho, aumentar la inductancia de la ferrita en un factor de 1000 parece no tener ningún efecto sobre el aislamiento del ruido.

Aunque no sea evidente, hay una transición muy brusca justo en el flanco ascendente de la forma de la onda de tensión de E/S. Si ampliamos la imagen, veremos que este flanco ascendente no es un artefacto, sino que está asociado a un polo de alta frecuencia en la impedancia del riel de E/S (en el parámetro Z11).

Ahora podemos ver el efecto de la perla de ferrita: hay ruido de alta frecuencia generado en el riel de E/S debido a un polo en el parámetro Z11 ubicado en los 631 MHz. Este mismo polo existe en el espectro de impedancia de transferencia (Z21), pero está a una impedancia mucho más baja. Sin embargo, la porción de alta frecuencia de la respuesta transitoria, como se muestra arriba, experimenta una mayor amortiguación gracias a la incorporación de la perla de ferrita. Está claro que el valor estándar de R/L en el modelo de ferrita es el factor que determina la amortiguación en la respuesta transitoria, tal como ocurre en cualquier otro circuito RLC. En otras palabras, preferiríamos una resistencia grande y una inductancia baja, lo que contradice la motivación para utilizar una ferrita en una PDN.

En contraste con lo anterior, el ruido de baja frecuencia parece no verse afectado por la ferrita. El ruido de baja frecuencia a 2,81 MHz es casi idéntico en ambos rieles, por lo que esperaríamos que sus parámetros Z y el espectro Z21 tuvieran los mismos polos a 2,81 MHz. De hecho, esto es lo que vemos en el espectro del parámetro Z que se muestra a continuación.

Al comparar la autoimpedancia del riel de E/S (Z11) con los espectros de impedancia de transferencia (Z21), está muy claro que solo hay un beneficio marginal en el polo de 631 MHz y ningún beneficio en el polo de 2,81 MHz (este es el polo principal que nos interesa). Aunque parezca que la perla de ferrita del riel PLL es responsable de reducir el ruido, el condensador de derivación también reduce el ruido gracias a su valor SRF a 1,59 GHz. Los dos juntos actúan de forma similar a un condensador de ESR controlado, lo que proporciona una gran amortiguación y reduce el ruido.

Resultados: conmutación del riel PLL, conmutación de E/S

Ahora podemos examinar cómo se verá afectada la conmutación en el riel PLL por la presencia de la ferrita. Los resultados del análisis transitorio a continuación muestran claramente cómo la acción de conmutación en el PLL crea enormes fallos en la tensión del riel PLL. Las curvas rojas y verdes muestran la tensión del riel PLL con y sin perla de ferrita, respectivamente. En cuanto el PLL se enciende después de 5 ns (curva azul discontinua), vemos que el riel PLL con la ferrita presenta enormes picos de tensión. Estos picos no se ven en ese mismo riel PLL sin perla de ferrita.

Podemos ver claramente que el riel PLL vuelve a estar "limpio" una vez que retiramos la perla ferrita (ver la curva verde de arriba). ¡De hecho, ni siquiera vemos el ruido de la sección de E/S! Esto debería suponer la sentencia definitiva para eliminar la perla de ferrita en este diseño, ya que el gran reductor de ruido es el condensador de derivación, que no la ferrita. Los resultados confirman que más capacitancia es un cambio de diseño más favorable que el hecho de añadir inductancia. Esto también ilustra el cambio de diseño requerido en el riel de E/S: añade algunos pequeños condensadores que apunten directamente al pico de 631 MHz en el espectro de impedancia de la PDN.

Resumen

¿Qué conclusiones podemos extraer de este ejercicio? Los resultados parecen dispares, pues dan resultados mínimamente aceptables para el polo de alta frecuencia y ningún resultado para el polo de baja frecuencia, que es mucho más problemático. Hay cuatro puntos importantes:

1. La perla de ferrita bloqueó parte del ruido de alta frecuencia del riel de E/S para que no llegara al riel PLL. Esto se logró porque el polo estaba situado en la banda resistiva de la ferrita, lo que puede comprobarse comparando el ruido de E/S medido en el riel de E/S contra el ruido de E/S medido en el riel PLL.
2. El condensador de derivación en el riel PLL ayuda mucho al aislamiento, siempre que se elija adecuadamente (de modo que su SRF esté cerca del polo de alta frecuencia).
3. La ferrita no hizo absolutamente nada para reducir el ruido de baja frecuencia del riel de E/S para que no llegara al de PLL. Si el PLL funcionara a 0,9 V, el ruido de baja frecuencia crearía interferencias importantes.
4. Cuando el elemento PLL de flanco lento simulado conmutaba, la inductancia de la perla de ferrita provocó picos muy grandes en el riel PLL.

En términos generales, parece que la perla de ferrita no sirvió de mucho allí donde era necesaria. Podemos deducir que añadir condensadores adecuadamente elegidos proporcionaría las mismas ventajas que la ferrita sin los problemas adicionales que esta conlleva. A partir de la curva de impedancia de la perla de ferrita, podemos ver que esta proporciona prácticamente cero amortiguación adicional a baja frecuencia, por lo que no esperaríamos que se atenuara el ruido de baja frecuencia. En cambio, el ruido de baja frecuencia se puede solucionar con un condensador grande que tenga una SRF = 2,81 MHz en ambos rieles.

Entonces, ¿deberías usar perlas de ferrita para el aislamiento en tu PDN? Debes tener cuidado, ya que dependerá de los intervalos de frecuencias que necesites aislar. Además, deberás comprobar que la ferrita no crea un nuevo problema de ruido en el riel aislado. Si crees que necesitas usar ferrita para aislar el riel en tu PDN, haz primero una simulación para asegurarte de que la ferrita cumple con el propósito previsto.

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