Perles de ferrite : fonctionnement et guide de choix

Parfois, j’aimerais pouvoir voir les ondes électromagnétiques. Je pourrais ainsi détecter les interférences bien plus facilement. Au lieu de perdre mon temps avec des configurations compliquées et des analyseurs de signaux, je pourrais simplement voir la source de tout problème en un coup d'œil.

Même si vous n’êtes pas en mesure de voir les interférences, vous pouvez parfois les entendre quand vous avez affaire à des circuits audio. Pour remédier à ce genre de problème, il est possible d’utiliser une perle de ferrite. Malheureusement, leur fonctionnement peut être quelque peu nébuleux.

Pour les utiliser correctement, vous aurez besoin de comprendre leurs caractéristiques électromagnétiques et la façon dont celles-ci changent durant leur utilisation. Une fois que vous aurez compris la théorie à la base des ferrites, vous devrez sélectionner avec soin celle qui correspond le mieux à votre carte. Si vous ne le faites pas, vous pourriez causer plus de problèmes qu'autre chose.

La théorie à la base des perles de ferrite

Les perles de ferrite servent à atténuer les signaux haute fréquence. Vous pourriez donc être tenté de les considérer comme des inducteurs, mais elles sont un peu plus complexes que cela. Le modèle de circuit simplifié d’une perle de ferrite vous aidera à comprendre ses caractéristiques de fréquence. Toutefois, ces attributs peuvent changer en fonction du courant et de la température.

Une perle de ferrite peut être modélisée (en anglais) par une inductance, un condensateur et une résistance montés en parallèle, précédés d’une résistance en série. La résistance en série représente la résistance au courant continu. L’inducteur est le composant principal atténuant les signaux haute fréquence. La résistance parallèle représente les pertes de courant CA. Le condensateur simule une capacité parasite. Quand vous regardez la courbe de l’impédance en fonction de la fréquence (en anglais) d’une perle de ferrite, vous pouvez voir que l’impédance, qui est le plus souvent résistive, est extrêmement haute dans une bande mince. C’est dans cette section que l’inductance de la perle est prédominante. Au-delà de cette bande, la capacité parasite reprend le dessus et réduit rapidement l’impédance haute fréquence.

Les perles fonctionnent en général pour un certain courant continu nominal. Des intensités supérieures à la valeur spécifiée peuvent endommager le composant. Ce qui est gênant, c’est que cette limite est considérablement affectée par la chaleur. Lorsque la température augmente, le courant nominal diminue rapidement (en anglais). Le courant nominal affecte également l’impédance de la ferrite. À mesure que le courant continu augmente, la perle de ferrite « sature » et perd une partie de son inductance. Lorsque le courant est relativement élevé, la réduction d’impédance due à la saturation peut atteindre 90 % (en anglais).

Modèles de circuit des perles de ferrite et précision de leur impédance

On obtient une vision complète de l’impédance d’une perle de ferrite en observant sa courbe d’impédance. Prenons par exemple la référence MPZ1608B471A de TDK ; le graphique associé illustre la courbe d’impédance de ce composant, avec une fréquence de résonance de 160 MHz et une impédance de crête d’environ 470 Ohms. La différence entre ces courbes réelles et un circuit RLC parallèle théorique réside dans la largeur de bande d’impédance et la plage de fréquences, très étendue, sur laquelle le composant présente une impédance résistive.

Malheureusement, les graphiques d’une fiche technique ne sont pas toujours très utiles pour simuler le comportement d’une perle de ferrite, et tous les fabricants ne fournissent pas de modèle SPICE reproduisant ces caractéristiques d’impédance. Les paramètres du modèle de circuit peuvent néanmoins être déterminés en observant certaines caractéristiques de la courbe d’impédance.

Prenons par exemple la courbe d’impédance de la référence MH2029-401Y de Bourns. À partir de ce graphique, on peut établir les paramètres de modèle de circuit suivants :

• Fréquence de résonance : 160 MHz
• C = 0,842 pF
• L = 1,18 µH
• R = 450 Ohms
• FWHM = 420 MHz (estimation initiale basée sur la valeur FWHM issue de la courbe d’impédance)

La courbe d’impédance résultante (ainsi que les courbes de résistance et de réactance) présente, à la même échelle que les données mesurées, une précision acceptable du continu (DC) jusqu’au pic de la courbe d’impédance.

Bien que le modèle de circuit reproduise correctement la forme générale de la courbe, il a tendance à surestimer l’impédance et la résistance totales au-delà de la fréquence de résonance. Cette comparaison est importante pour évaluer la validité d’un modèle de perle de ferrite dans une simulation SPICE : au-delà de la résonance, les résultats ne sont pas fiables sans ajustement du modèle. Cela dit, la plage de fréquences généralement utile pour l’usage des perles de ferrite va du continu jusqu’au pic d’impédance, comme expliqué plus haut ; pour la plupart des applications, ce modèle reste donc suffisant, à condition d’en comprendre les limites.

La démarche mathématique pour déterminer les paramètres du modèle de circuit s’apparente à un exercice classique sur les circuits RLC. Des formules simples, ou une approche par essais successifs, permettent d’obtenir de bonnes estimations des valeurs des éléments du circuit pour les perles de ferrite disponibles dans le commerce. Pour en savoir plus sur cette démarche mathématique, consultez cet article (en anglais), ou visionnez la vidéo ci-dessous.

Le courant de charge peut modifier l’impédance de votre ferrite.

Où utilise-t-on généralement les perles de ferrite

L’impédance d’une perle de ferrite étant inductive aux basses fréquences et faible en continu (DC), une perle de ferrite laisse passer les basses fréquences et atténue les fréquences plus élevées, jusqu’à atteindre sa fréquence de résonance.

C’est pourquoi on place parfois une perle de ferrite sur l’alimentation d’entrée d’un appareil électronique : cela permet d’éliminer le bruit haute fréquence parasite présent sur cette ligne. Pour des appareils à plus fort courant, on utilisera plutôt un tore de ferrite (aussi appelé noyau ou anneau de ferrite) directement sur le cordon d’alimentation, qui remplit la même fonction.

Le plus souvent, dans les systèmes d’alimentation avec entrée secteur AC à 3 fils, les perles de ferrite ne sont pas utilisées sur la ligne d’entrée. On utilisera plutôt des selfs de mode commun et des circuits de filtrage en mode différentiel directement sur le circuit d’entrée (avant tout redressement ou transformateur), la connexion à la terre servant à évacuer le bruit différentiel vers la masse.

Il en va de même pour les lignes d’alimentation continue (DC) entrant dans un système via un connecteur : on utilise un tore pour supprimer le bruit en mode commun, avec des courants nominaux plus élevés que ceux d’une perle de ferrite classique. À plus faible courant, en revanche, des perles de ferrite peuvent être fixées directement aux broches d’un connecteur pour supprimer le bruit, mais cette solution doit être testée par rapport à des résistances de 0 Ohm afin d’en évaluer l’impact sur la réponse du système d’alimentation et sur les émissions rayonnées (EMI).

Quand ne pas utiliser une perle de ferrite

Une perle de ferrite ne doit jamais être utilisée lorsque son spectre d’impédance chevauche le spectre de puissance ou la bande passante que vous devez fournir à la charge. Cela s’illustre bien à travers deux exemples :

• Exemple 1 : les alimentations des composants numériques doivent fournir de la puissance jusqu’à la gamme du GHz, avec des temps de montée rapides. Une perle de ferrite filtre fortement dans cette plage et ne doit donc pas être utilisée dans ce cas. En revanche, si l’alimentation ne doit fournir que du courant continu (DC), la perle de ferrite est généralement acceptable, puisqu’elle ne filtrera pas le DC.
• Exemple 2 : les interfaces numériques haute vitesse nécessitent une bande passante minimale pour transférer un signal entre deux composants. Une perle de ferrite ne doit pas être utilisée lorsque son pic d’impédance se situe dans la bande passante requise.

On peut citer plusieurs autres cas où les perles de ferrite ne devraient jamais être utilisées :

• Comme filtre de bruit haute fréquence dans un réseau de distribution d’alimentation (PDN) numérique
• Pour isoler deux rails d’alimentation différents à la même tension
• Dans la boucle de rétroaction de sortie d’une alimentation pour composants numériques rapides
• Comme élément de filtrage sur la grille d’un MOSFET piloté en PWM
• Comme élément de filtrage sur les lignes d’alimentation de moteurs

Pourquoi tant de concepteurs continuent-ils à utiliser des perles de ferrite dans ces cas, malgré les nombreuses preuves qu’elles posent problème au bon fonctionnement du circuit ? Il y a plusieurs raisons à cela, dont certaines sont abordées par Kella Knack dans cet article. La raison la plus significative est probablement que les cartes d’évaluation de produits d’alimentation et les anciens designs de référence continuent d’inclure des perles de ferrite : les concepteurs constatent cet usage et supposent qu’il est nécessaire de les inclure dans chaque nouveau design. On observe même, dans certaines de nos revues de conception d’une minute (en anglais), la même perle de ferrite placée sur de nombreuses lignes d’alimentation et interfaces différentes, ce qui montre clairement qu’on n’a pas vraiment réfléchi à la nécessité de ces composants ni à leur fonction. Pour en savoir plus sur les usages inappropriés des perles de ferrite sur des composants numériques, visionnez la vidéo ci-dessous.

Perle de ferrite ou inductance ?

Bien qu’une perle de ferrite puisse être modélisée comme une inductance aux basses fréquences, elle ne se comporte pas comme une inductance classique. Pour comparer le comportement d’une perle de ferrite à celui d’une inductance, il faut mesurer l’impédance du composant en fonction de la fréquence, ou tracer un diagramme de Bode. Comparée à une inductance présentant la même pente de réactance aux basses fréquences, la perle de ferrite affiche une chute bien plus abrupte au-delà de sa fréquence de résonance.

En résumé, une perle de ferrite ne remplace pas une inductance. Si votre circuit a besoin d’une inductance, utilisez une inductance ; et testez toujours une perle de ferrite donnée dans votre circuit pour vous assurer qu’elle convient à votre application.

Comment choisir la bonne perle de ferrite

Maintenant que vous avez compris la théorie à la base des perles de ferrite, il est temps d’en choisir une pour votre circuit. Ce n’est pas très difficile, il suffit de faire attention aux caractéristiques de la perle.

Beaucoup de gens savent que les ferrites « atténuent les hautes fréquences ». Toutefois, les perles n’agissent pas comme un filtre passe-bas à large bande, puisqu’elles peuvent seulement vous aider à arrêter une gamme spécifique de fréquences. Vous devez choisir une perle de ferrite de façon à ce que vos fréquences indésirables soient dans sa bande résistive. Si vous allez un peu au-dessus ou un peu en-dessous, la perle n’aura pas l’effet désiré.

Vous devriez aussi obtenir si possible du fabricant la courbe de l’impédance en fonction du courant de charge pour la perle. Si votre courant de charge est très élevé, vous devrez sélectionner une perle capable d’encaisser le courant sans saturer et perdre son impédance.

Les règles de sélection d’une perle de ferrite pour un circuit donné sont, en apparence, très simples — et pourtant souvent ignorées en pratique. Elles se résument à trois règles simples :

1. N’utilisez jamais de perle de ferrite sans avoir identifié un problème précis qu’elle doit résoudre.
2. Choisissez une perle dont la bande d’arrêt ne chevauche pas la plage de fréquences que vous devez transmettre à votre charge.
3. Assurez-vous que le courant de saturation est supérieur à votre courant de fonctionnement.

La règle la plus souvent enfreinte est la première. Ensuite, une fois le besoin d’une perle de ferrite établi, de nombreux concepteurs enfreignent la deuxième règle. Voyons comment l’appliquer correctement à travers un exemple. La troisième règle est la plus simple à respecter, mais elle constitue souvent le point de départ des concepteurs plutôt que leur point d’arrivée.

Le graphique de la référence MH1608-221Y de Bourns montre la courbe d’impédance de ce composant. Un exemple de spectre de puissance ou de bande passante requis par un circuit y est superposé en rouge (échelle en dB). Comme la courbe d’impédance de la perle de ferrite ne chevauche pas significativement la courbe du spectre de puissance, cette perle pourrait convenir à l’application considérée.

Mises en garde

Les perles de ferrite sont essentiellement des charges résistives à hautes fréquences, ce qui signifie qu’elles peuvent causer quelques problèmes dans votre circuit. Lorsque vous placez une perle, vous devez penser à la chute de tension et à la dissipation thermique.

Avant, quand la tension dans les circuits était plus élevée, une chute de tension ne constituait pas un gros problème. De nos jours, de nombreux circuits de faible puissance peuvent utiliser des tensions aussi petites que 2 V. À ce niveau, il est difficile de se permettre la moindre chute de tension. Les ferrites feront nécessairement chuter la tension du courant continu dans votre circuit. La chute peut sembler minime, mais si vos circuits intégrés (CI) présentent un état court d’appel de courant élevé, la chute pourrait devenir significative (en anglais). Placez votre perle de ferrite là où la chute de tension ne causera aucun problème.

Comme les ferrites sont résistives aux hautes fréquences, elles dissipent l’énergie absorbée principalement sous forme de chaleur. Cette chaleur n’est pas nécessairement un problème, mais si vous n’y avez pas pensé lors de la conception de votre système actif ou passif (en anglais) de refroidissement, elle peut en devenir un. Si votre système est particulièrement bruyant et si la perle va absorber beaucoup de fréquences élevées, cette chaleur peut devenir un problème. Assurez-vous de tenir compte de la dissipation de chaleur de la perle.

La chaleur générée par une perle de ferrite doit être prise en compte dès la conception de votre système.

Ressources supplémentaires pour comprendre les perles de ferrite

Pour aider les concepteurs à utiliser les perles de ferrite correctement et efficacement, nous avons rassemblé ici de nombreuses ressources. Consultez les articles ci-dessous pour en savoir plus sur l’usage des perles de ferrite, leurs caractéristiques électriques et leurs effets dans des applications spécifiques.

• Perles de ferrite et EMI :
  • Comment utiliser (et ne pas utiliser) une perle de ferrite dans votre conception pour réduire les EMI
  • Comment utiliser les perles, puces, noyaux et plaques de ferrite
• Caractéristiques du circuit d’une perle de ferrite :
  • Comment déterminer les paramètres du modèle de circuit d’une perle de ferrite (en anglais)
  • Trois plages de fréquences pour l’utilisation des perles de ferrite
• Applications de simulation :
  • Modèles de perles de ferrite et impédance de transfert dans une simulation PDN
  • Simulation et analyse de l’impédance du PDN dans SPICE
• Autres ressources :
  • Sélection de noyaux de ferrite et choix de conception
  • Tout ce que vous devez savoir sur les perles de ferrite

Les perles de ferrite peuvent être très utiles, mais seulement si vous comprenez parfaitement leur fonctionnement. N’oubliez pas qu’elles atténuent les signaux dans une bande relativement restreinte en appliquant une résistance, et que leur efficacité dépend de la température et du courant de charge. Pour tirer le meilleur parti d’une perle de ferrite, évaluez son comportement par des tests et des mesures réelles ; des simulations sont également possibles à l’aide du modèle de circuit présenté plus haut, ou d’un modèle fourni par le fabricant. Les perles de ferrite peuvent être obtenues auprès de fabricants tels que Coilcraft, Murata ou Würth Elektronik, qui proposent généralement une documentation et des modèles complets pour leurs produits. Ensuite, lorsque vous placez la perle, assurez-vous de tenir compte de la chute de tension et de la chaleur.

Il peut être difficile de choisir la bonne perle de ferrite, mais il n’est pas nécessaire qu’il en soit de même de la conception de votre circuit. Altium Designer est un logiciel de conception de circuits imprimés de pointe doté d’outils qui peuvent vous aider à concevoir le circuit optimal. Il dispose même de modules complémentaires comme l’analyseur de réseau de distribution de courant, qui peut vous aider à résoudre les problèmes relatifs aux chutes de tension et à la dissipation thermique.

Vous avez d’autres questions concernant les perles de ferrite ? Contactez un expert Altium.