Tres rangos de frecuencia para el uso de perlas de ferrita

De todos los componentes utilizados en electrónica, hay un tipo de componente que genera más controversia y malentendidos que cualquier otro. Ese componente es una cuenta de ferrita. Estos componentes engañosamente simples se promocionan como una solución para todo para la EMI, como un componente para aislar rieles de alimentación y como un componente para reconectar tierras desconectadas. ¡Increíble que un pequeño componente magnético pueda hacer tanto!

Obviamente, estoy siendo sarcástico, porque la verdad es que las cuentas de ferrita solo son buenas para esas cosas algunas veces, especialmente cuando se aplican en una fuente de alimentación o directamente en los pines de alimentación de componentes en PCBs de alta velocidad. Al tratar con este grupo de aplicaciones, hay tres áreas principales donde se podrían aplicar las ferritas.

1. En los pines de salida de la fuente de alimentación
2. En serie con los pines VDD en ICs digitales
3. Entre dos rieles de alimentación suministrados por el mismo regulador

Estos son los tres usos más comunes de las ferritas en circuitos de alimentación y en cargas. Lo interesante de esto es que refleja el comportamiento de las ferritas en tres posibles rangos de frecuencia: DC (o cerca de DC), frecuencias de rango medio que se acercan a la resonancia de la ferrita y frecuencias muy altas en o más allá de la resonancia de la ferrita.

Todo Se Trata de la Impedancia de Salida de la Fuente de Alimentación

El uso de ferritas en las tres situaciones anteriores puede no tener una relación obvia con la impedancia de salida de la fuente de alimentación, pero esto es exactamente lo que la colocación de la ferrita puede modificar cuando se usa como se describió anteriormente.

En general, se prefiere que la impedancia de salida de una fuente de alimentación sea lo más baja posible para que no se pierda energía mientras se suministra desde la circuitería de regulación interna al puerto de salida. Cuando una fuente de alimentación necesita proporcionar energía a un IC digital con E/S de conmutación rápida, la fuente de alimentación necesita mantener baja impedancia hasta las frecuencias más altas posibles. Esta baja impedancia necesita extenderse al rango de MHz alto para asegurar la integridad de la energía.

La colocación de una ferrita en la salida de un circuito de fuente de alimentación con fines de filtrado aumentará significativamente la impedancia de salida de la fuente de alimentación cerca de la resonancia de la ferrita, como se muestra en las curvas a continuación. Para aprender más sobre esto, mira esta presentación de OMICRON Lab sobre la impedancia de salida de la fuente de alimentación.

En la imagen anterior, la curva azul muestra la impedancia de salida de una fuente de alimentación con la ferrita presente en la salida. Si bien es cierto que la ferrita filtra el ruido de alta frecuencia que podría conducirse a través de la salida del circuito de la fuente de alimentación, también crea dos problemas en sistemas de alta velocidad y sistemas RF:

• La ferrita resuena con los capacitores, lo que lleva a un aumento del ruido en el riel de alimentación
• La inductancia y resistencia adicionales de la ferrita pueden interferir con el bucle de control del circuito de la fuente de alimentación

Si simplemente miras la curva de impedancia de una típica perla de ferrita, esto debería ser obvio. La impedancia se acerca a un pico en frecuencias medias y se vuelve principalmente resistiva. ¿Qué más podríamos esperar que suceda al colocar una ferrita en la salida de una fuente de alimentación?

Ejemplo de curva de impedancia de perla de ferrita para el número de parte BLM18PG121SN1 de Murata.

Ahora que estamos armados con esta información, ¿qué sucede en las tres situaciones donde se colocan las ferritas como se mencionó anteriormente?

Respuesta Lenta a Altas Frecuencias

Debido a que la ferrita se vuelve resistiva cerca de su resonancia, interfiere con la capacidad de la fuente de alimentación para responder rápidamente cuando una carga demanda energía con una tasa de cambio muy rápida. Podemos inferir esto simplemente mirando la impedancia de salida de la fuente de alimentación; cuando la impedancia de salida es alta, es difícil para la fuente de alimentación responder en ese rango de frecuencia. Esto llevará a mayores fluctuaciones de voltaje cuando se exciten transitorios en la PDN para un componente digital. Sin embargo, este comportamiento es exactamente lo que querrías si estás tratando de filtrar cualquier ruido de alta frecuencia de la fuente de alimentación. En otras palabras, si la fuente de alimentación solo necesita suministrar energía DC, y tu carga siempre opera en DC, entonces la alta impedancia de salida de la fuente de alimentación en frecuencias medias no importa. Si la carga siempre es DC, nunca habrá demandas de corriente a tasas de cambio rápidas, así que no necesitamos preocuparnos por el ripple en la PDN, y la ferrita proporcionará una buena función de filtrado. Para aprender más sobre esto, echa un vistazo al clip de un episodio de podcast con Heidi Barnes de Keysight.

Ruido de VDD Superpuesto en Señales de Salida

En la sección anterior, donde una ferrita se usa como un componente de filtrado en la salida de una fuente de alimentación y se coloca en un pin VDD, ambos contribuyen a otro problema observado en la salida de los I/Os en un componente digital. Cuando se coloca la ferrita en un pin VDD, ahora está aumentando la impedancia de toda la PDN hasta ese pin. Es esencialmente lo mismo que aumentar la impedancia de salida de la fuente de alimentación, y el resultado es el mismo ruido en el voltaje de la PDN. A continuación, se muestra un ejemplo de traza de osciloscopio en la instancia donde la PDN tiene alta impedancia. Esta alta impedancia puede provenir de una inductancia excesiva o una resistencia excesiva; recuerda que una ferrita proporciona ambas en diferentes rangas de frecuencia. Cuando la alta impedancia interactúa con una corriente alta, el producto de la impedancia y la forma de onda de corriente da como resultado una forma de onda de voltaje.

Resultado de ejemplo de la medición de ondulación de la línea de alimentación para una PDN con alta impedancia impulsada con una señal de reloj de prueba. Aprende más en este artículo.

En ambos casos, ya sea el ferrita en el pin de salida de la fuente de alimentación o el pin VDD de la carga digital, el ruido se superpone entonces al nivel de voltaje para las señales de salida, que son suministradas directamente por el pin VDD. Este es un ejemplo principal de un problema de integridad de potencia como se observa en el pin VDD convirtiéndose en un problema de integridad de señal, y todo se origina debido a una desaceleración del tiempo de respuesta de la PDN cuando los I/Os intentan extraer grandes corrientes a través del pin VDD.

Aislamiento Entre Líneas

La colocación de un ferrita como elemento aislante entre dos líneas de alimentación suministradas por el mismo regulador sigue la topología mostrada en la imagen a continuación. Aquí, tenemos un único regulador alimentando dos cargas; las líneas en cada carga están conectadas entre sí usando un solo ferrita, y cada línea tiene su propia capacitancia.

Diagrama de topología que ilustra la colocación de la cuenta de ferrita para aislamiento entre dos cargas alimentadas por el mismo circuito de suministro de energía.

Colocar un ferrita como elemento aislante entre líneas tiene resultados mixtos. En un sentido, colocar el ferrita aumenta la impedancia a lo largo de la conexión, por lo que esperarías un mayor ruido en la salida de la línea aislada. Sin embargo, si la línea principal excita un transitorio, podrías esperar que el ferrita ayude a filtrar ese ruido de alta frecuencia y evite que alcance la línea aislada. Entonces, ¿cuál de estos resultados ocurre realmente?

La respuesta es “depende”. En particular, depende de lo siguiente:

1. El espectro de potencia requerido por la carga principal
2. El espectro de potencia requerido por la carga aislada
3. La frecuencia resonante del ferrita

Esto debería ilustrar por qué algunos resultados de medición sobre este asunto son contradictorios; no hay una regla fija en cuanto al valor de la frecuencia resonante del ferrita a usar en este caso.

La razón de esto es que el ferrita, como se coloca en la topología anterior, crea una impedancia de transferencia, que es una función de la frecuencia. Por lo tanto, no hay una manera fácil de predecir si el ferrita es “malo” más que con un cálculo de respuesta al impulso, que debe hacerse en Mathematica, Matlab, o a mano. Si no estás familiarizado con esto, puedes intentar con una simulación SPICE, o puedes construir una placa de prueba y medirla.

• Aprende más sobre el uso de perlas de ferrita en simulación SPICE
• Ve ejemplos donde las perlas de ferrita fallan en aislamiento

¿Cuáles son los rangos de frecuencia para las ferritas?

Hay mucha información presentada arriba, así que creo que es importante vincular la colocación de la ferrita con su rango de frecuencia de operación apropiado. La tabla a continuación resume estos regímenes operativos donde se pueden usar las ferritas y donde no se deben usar.

Creo que esto nos da una buena regla general para usar perlas de ferrita como elementos de filtrado de ruido: si tus circuitos pretenden operar en DC o solo a bajas frecuencias, entonces lo más probable es que una ferrita esté bien. Si tu placa está utilizando digital de alta velocidad, incluso con SPI simple, no deberías usar la ferrita para intentar eliminar el ruido entre tu fuente de alimentación y tus cargas digitales.

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