Tout ce que vous devez savoir sur les perles de ferrite

Comme indiqué dans mon précédent article de blog sur la conception de PDS, l'énigme de l'alimentation électrique a été entachée par un certain nombre de règles de base erronées au fil des années. Cela a créé une certaine confusion quant à savoir ce qui fonctionne et ne fonctionne pas.

L'un des sujets les plus controversés concerne l'utilisation de perles de ferrite comme moyen de contrôler et de contenir les EMI. Il existe des informations contradictoires concernant l'utilisation des perles de ferrite et il est difficile de déterminer quelles informations sont valables et lesquelles ne le sont pas. Le véritable défi est que les informations erronées semblent être valides en raison des grandes quantités de données qui leur sont associées. Pour augmenter davantage la confusion, dans les notes d’application de certains circuits intégrés, les fournisseurs de composants recommandent l'utilisation de perles de ferrite comme moyen d'éliminer les EMI.

Pour essayer d’atténuer cette confusion, cet article de blog abordera plusieurs sujets, dont notamment :

• Quelles sont les origines des perles de ferrite ?

• Quelle est l'histoire de leur utilisation ?

• Pourquoi a-t-on supposé que l'utilisation de perles de ferrite constituait une règle de conception valide ?

• Que se passe-t-il réellement lorsqu'une perle de ferrite est placée en série avec la ligne d'alimentation d'un circuit intégré ?

• Que faire lorsqu'un fournisseur de circuit intégré recommande l'utilisation de perles de ferrite ?

À la suite de la discussion présentée ici, il sera démontré que l'utilisation de perles de ferrite en série avec la ligne d'alimentation d'un circuit intégré n'élimine pas ou ne contient pas les EMI. Mais au contraire, qu’elle dégrade les performances du PDS.  

Les origines des perles de ferrite

Commençons par répondre à la première grande confusion. Les perles de ferrite ne sont pas des perles. Ce sont de petits inducteurs. Ce que les gens appellent une perle est en fait un tore. (Un tore est une bobine de fil isolé ou émaillé qui est enroulée sur une forme de beignet en poudre de fer. Il est utilisé comme inducteur dans les circuits électroniques, en particulier à basse fréquence, où des inductances relativement importantes sont nécessaires. Ils ont été utilisés depuis toujours comme noyaux de transformateurs). Pour des raisons de cohérence, les inducteurs en ferrite seront désignés comme ils le sont dans le reste de l'industrie, c'est-à-dire comme des perles de ferrite.  

Les perles de ferrite sont des composants montés en surface, tout comme d'autres composants tels que les résistances et les condensateurs. Elles sont disponibles dans les mêmes tailles que ces autres composants. Un boîtier typique de perles de ferrite est illustré à la figure 1. Notez que le mot "perle" est entouré de guillemets car cette pièce n'est pas une véritable perle.

Figure 1. Boîtier type de “perle” de ferrite

En termes de composition, les perles de ferrite sont fabriquées à partir d'un matériau ferromagnétique communément appelé ferrite. Ce matériau se comporte comme un inducteur fait d'une bobine de fil. L'attrait de ce composant est qu'il présente une inductance relativement élevée dans un petit format. En général, ces composants ne sont pas caractérisés par la quantité d'inductance qu'ils possèdent, mais plutôt par leur impédance à une fréquence particulière. Comme le montre la figure 2, l'impédance d'une perle de ferrite est une fonction de la fréquence comme pour un inducteur. L'impédance étant assez faible à basse fréquence, augmentant jusqu'à un point élevé, puis diminuant.  

Figure 2. Perle de ferrite typique Impédance vs. Fréquence

L'histoire de l'utilisation des perles de ferrite

Les origines de l'utilisation des perles de ferrite dans les conceptions de PCB remontent à la fin des années 1980, lorsque les dispositifs CMOS personnalisés ont fini par commuter assez rapidement pour créer des fréquences dans la bande EMI. Les techniciens EMI ont placé des perles de ferrite dans les lignes d'alimentation des dispositifs. Les EMI ont disparu car la pièce ne pouvait plus commuter assez rapidement pour créer les fréquences qui étaient dans la bande EMI. Ainsi, la perle de ferrite était une solution de fortune. Elle a fonctionné et a empêché la pièce de faire du bruit, mais elle a également empêché la pièce de fonctionner à grande vitesse (c'est-à-dire de commuter rapidement). Lorsque les perles de ferrite ont été utilisées pour la première fois, la vitesse en termes de commutation rapide n'était pas un impératif. C'est ainsi que l'utilisation des perles de ferrite a débuté.

Pour illustrer davantage ce point, lorsqu'une perle de ferrite était placée en série avec la ligne d'alimentation d'un circuit intégré, un circuit tel que celui représenté sur la figure 3 était créé.

Figure 3. Circuit intégré avec une perle de ferrite placée en série avec la ligne d’alimentation

Les fréquences impliquées dans les EMI rayonnées vont de 30MHz à 1GHZ pour la plupart des produits. Lorsque le circuit intégré a tenté de tirer de l'énergie à haute fréquence de l'alimentation électrique, l'impédance de la perle de ferrite l'en a empêché. Par conséquent, il n'y avait pas de hautes fréquences sur le boîtier du circuit intégré pouvant causer un problème d'EMI. C'est l'une des deux façons de contrôler les EMI : éliminer la source ou éliminer l'antenne. Cette technique fonctionnait tant que le circuit intégré ou l'ASIC n'était pas censé fonctionner avec des signaux ou des horloges rapides. Avant l'utilisation des circuits intégrés de 130 nanomètres, la plupart des circuits fonctionnaient suffisamment lentement pour ne pas avoir besoin d'une source à très faible impédance à haute fréquence. Il s'agissait en réalité de PDS qui fonctionnaient malgré de mauvaises habitudes, plutôt que la mise en place de bonnes pratiques d’ingénierie.  

Qu’est-ce que les perles de ferrite font réellement ?

Ce qui se passe réellement lorsque vous placez une perle de ferrite en série avec la ligne d'alimentation d'un circuit intégré, c'est que les performances du PDS sont dégradées. En témoigne l'augmentation de l'impédance de sortie du dispositif. Il est important de se rappeler qu'une alimentation est censée être une source de tension. Cela signifie que quelle que soit la quantité de courant qui y est prélevée, la tension de sortie reste la même. En d'autres termes, les sources d'alimentation doivent avoir une impédance de sortie nulle ou très faible à toutes les fréquences afin de pouvoir faire leur travail correctement. Comme indiqué ci-dessus, la vitesse des circuits intégrés a fini par augmenter au point que l'insertion d'une perle de ferrite les empêchait de fonctionner comme ils le devaient. La raison était que l'impédance de sortie du PDS était trop élevée. La solution proposée consistait à ajouter un condensateur après l’inducteur, comme le montre la figure 4.

Figure 4. Circuit intégré avec perle de ferrite et condensateur dans la ligne d’alimentation

Cela a permis de résoudre le problème de fonctionnement, mais a fait réapparaître le problème d'EMI. Ensuite, la méthode recommandée pour implémenter ce circuit était de couper un îlot dans le plan Vdd. Ce n'est pas non plus une alternative valable (voir la référence 1 à la fin de cet article).

Notez que dans la figure 4, le condensateur est appelé "condensateur de dérivation" et qu'il est entouré de guillemets. La raison de ces guillemets est d'attirer l'attention sur le fait que ce condensateur ne contourne pas le bruit. Il sert plutôt de source de charge à haute fréquence pour que l'ASIC puisse à nouveau commuter rapidement. Un nom beaucoup plus approprié pour ces condensateurs est "seaux de coulomb", car ils fonctionnent comme des dispositifs de stockage locaux (voir mon article précédent POWER PLAY - CONCEVOIR AVEC SUCCÈS DES SYSTÈMES D’ALIMENTATION ÉLECTRIQUE, PARTIE 1, pour plus d'informations sur les seaux de coulomb).

Pourquoi l’utilisation de perles de ferrite est-elle mentionnée dans les notes d’application ?

Il convient de noter que dans un ASIC à haute vitesse, l'inducteur et le condensateur forment un filtre passe-bas empêchant le bruit à haute fréquence de parvenir au composant depuis le côté du sous-système d'alimentation du système. C'est la raison donnée dans la plupart des notes d’application pour placer des perles de ferrite en série avec les lignes d'alimentation des dispositifs PLL (boucle à verrouillage de phase) et d'autres circuits de type "analogique", y compris un sérialiseur/désérialiseur à grande vitesse (SERDES). 

Les fournisseurs de circuits intégrés recommandent généralement l'utilisation de perles de ferrite dans leurs notes d’application pour plusieurs raisons. Tout d'abord, l'auteur de la note d’application dira : "Nous avons toujours procédé de cette manière et si vous ne suivez pas notre note de présentation, nous ne pouvons pas garantir que le circuit fonctionnera correctement". Si une telle déclaration est faite, il est raisonnable de demander si le fournisseur garantit le bon fonctionnement du circuit si la note est suivie à la lettre. En général, la réponse est “non”. Cela ne vous laisse donc pas une grande zone de confort pour utiliser le circuit intégré que vous avez choisi.

La deuxième raison donnée par un fournisseur pour spécifier l'utilisation d'une perle de ferrite est que la perle est là pour empêcher le bruit du sous-système d'alimentation de pénétrer dans le circuit sensible. Chez Speeding Edge, nous avons vu des exemples de cela dans des circuits de test réels. Le bruit est effectivement bloqué, mais les performances du circuit sont susceptibles d'être dégradées en raison d'une mauvaise alimentation du circuit étant protégé.

La figure 5 montre la forme d'onde de sortie d'une liaison série de 3,125 Go/S avec une perle de ferrite dans la ligne d'alimentation du niveau de sortie.

Figure 5. Sortie Serdes de 3.125 Gb/S avec perle de ferrite dans la ligne d’alimentation

La figure 6 montre la même sortie avec la perle de ferrite retirée et le fil d'alimentation connecté directement à Vdd. Comme on peut le voir, l'insertion de la perle de ferrite a en réalité rendu le circuit moins performant que sans perle de ferrite.

Figure 6. Sortie Serdes de 3.125 Gb/S avec la perle de ferrite retirée de la ligne d’alimentation

Le circuit de la figure 5 a été recommandé par le fournisseur de la pièce, sans vérifier au préalable si le conseil était judicieux. Les formes d'onde présentées ont en fait été prises sur une carte d'évaluation fournie par le fournisseur. En ce qui concerne le blocage du bruit provenant du sous-système d'alimentation, il s'agissait de traiter le symptôme plutôt que de résoudre le problème. Le problème était qu'il y avait du bruit dans le sous-système d'alimentation parce qu'il n'avait pas été conçu correctement.  

Pour un fournisseur de circuits intégrés, il est essentiel de comprendre les besoins en alimentation d'un circuit intégré. Cela inclut le delta I maximum que le circuit peut demander au système d'alimentation, les fréquences et le delta V maximum autorisé (ondulation). Sans cette information, il est impossible de concevoir un PDS fonctionnel et fiable.  

En lisant les spécifications d'un composant, tel qu'un amplificateur opérationnel, l'une des spécifications est le taux de rejet de l'alimentation. Il s'agit d'une mesure de la quantité à laquelle les variations de la tension de l’alimentation affectent la sortie du dispositif. Il est possible d'effectuer de telles mesures pour les circuits intégrés numériques et les boucles à verrouillage de phase. L'idée que les circuits intégrés sont simplement "logiques" et n'ont pas besoin de ce niveau de caractérisation est un vestige de l'époque des TTL. À cette époque, la tolérance aux variations Vcc était si élevée qu'il n'était pas nécessaire d'en tenir compte. 

En réalité, un fournisseur de circuits intégrés doit être en mesure de conseiller les utilisateurs sur la manière de créer un système d'alimentation fonctionnel. Chaque fois qu'il est recommandé d'ajouter une perle de ferrite dans la ligne d'alimentation d'un dispositif, quatre questions doivent être posées au vendeur de circuits intégrés :

1. Y a-t-il un problème qui peut être résolu en ajoutant une perle de ferrite ?

2. La perle de ferrite résout-elle réellement le problème ?

3. Puis-je être sûr que l'ajout de la perle de ferrite ne crée pas un nouveau problème (comme celui illustré à la figure 5) ?

4. L'utilisation d'une perle de ferrite est-elle la meilleure façon de résoudre le problème ?

D'après notre expérience, après avoir répondu aux questions 1 et 2, les perles de ferrite sont éliminées de la conception. Chaque fois que nous avons rencontré une note d’application recommandant l'utilisation de perles de ferrite, nous avons appelé le vendeur du circuit intégré et posé les quatre questions ci-dessus. Dans aucun cas, nous n'avons constaté que les réponses à ces questions permettaient de conclure que l'ajout d'une perle de ferrite est une bonne idée. 

Si après avoir posé ces différentes questions le fournisseur insiste toujours sur l'utilisation de perles de ferrite, il est impératif d'insister pour voir un circuit de test dans lequel le composant est utilisé exactement de la manière dont il est censé être utilisé dans la nouvelle conception. S'il n'existe aucun circuit de test, il est préférable de se méfier. Une fois, alors que nous avions des difficultés à faire fonctionner correctement un microprocesseur, nous avons demandé à voir le circuit de test utilisé pour parvenir aux applications dans la note et aux spécifications de la pièce. On nous a répondu qu'il n'y avait pas de circuit de test et qu'il n'y en avait jamais eu. Lorsque nous avons demandé : "Comment faites-vous pour savoir si la pièce fonctionne correctement ?". La réponse a été la suivante : "Nous les donnons à nos clients et ils nous disent si elles fonctionnent !"

Résumé

Chez Speeding Edge, nous savons par expérience que l'utilisation de perles de ferrite est le résultat d'une réaction instinctive, de la recherche d’une solution de fortune ou d'un cas de conservation de mauvaises pratiques plutôt que d'une bonne ingénierie. Comme le fait remarquer Lee Ritchey, président de Speeding Edge : "Au cours de mes 40 années de conception de systèmes informatiques à haut débit et de produits de mise en réseau, je n'ai jamais utilisé de perles de ferrite dans la ligne d'alimentation d'un dispositif. Qu'il s'agisse d'une boucle à verrouillage de phase (PLL) ou d'un circuit analogique, ils ont tous fonctionné conformément à leurs spécifications et ont passé les tests EMI et ESD appropriés. Au lieu de cela, j'ai déterminé quelles étaient les exigences d'ondulation d'un circuit et j'ai conçu le système d'alimentation pour répondre à ces exigences."

Références :

1. Ritchey, Lee W. and Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volumes  1 and 2.”

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