Trois plages de fréquences pour l'utilisation de perles de ferrite

Parmi tous les composants utilisés en électronique, il y a un type de composant qui génère plus de controverses et de malentendus que tout autre. Ce composant est une perle de ferrite. Ces composants trompeusement simples sont présentés comme une solution miracle contre les EMI, comme un composant pour isoler les rails d'alimentation, et comme un composant pour reconnecter les masses déconnectées. Incroyable qu'un petit composant magnétique puisse faire tant de choses !

Je suis sarcastique, évidemment, parce que la vérité est que les perles de ferrite ne sont bonnes pour ces choses que certaines fois, en particulier lorsqu'elles sont appliquées dans une alimentation électrique ou directement sur les broches d'alimentation des composants dans des PCB à haute vitesse. Lorsqu'on traite avec ce groupe d'applications, il y a trois domaines principaux où les ferrites pourraient être appliquées.

1. Sur les broches de sortie de l'alimentation électrique
2. En série avec les broches VDD sur les CI numériques
3. Entre deux rails d'alimentation fournis par le même régulateur

Ce sont les trois utilisations les plus courantes des ferrites dans les circuits d'alimentation et sur les charges. Ce qui est intéressant à ce sujet, c'est que cela reflète le comportement des ferrites dans trois gammes de fréquences possibles : DC (ou proche du DC), fréquences moyennes qui approchent la résonance de la ferrite, et très hautes fréquences à ou au-delà de la résonance de la ferrite.

Tout est question d'impédance de sortie de l'alimentation électrique

L'utilisation des ferrites dans les trois situations ci-dessus peut ne pas avoir une relation évidente avec l'impédance de sortie de l'alimentation électrique, mais c'est exactement ce que la placement de la ferrite peut modifier lorsqu'elle est utilisée comme décrit ci-dessus.

En général, il est préférable que l'impédance de sortie d'une alimentation électrique soit aussi basse que possible afin qu'aucune puissance ne soit perdue lorsqu'elle est fournie depuis le circuit de régulation interne vers le port de sortie. Lorsqu'une alimentation électrique doit fournir de l'énergie à un CI numérique avec des E/S à commutation rapide, l'alimentation électrique doit maintenir une faible impédance jusqu'à des fréquences aussi élevées que possible. Cette faible impédance doit s'étendre dans la gamme des MHz élevés pour assurer l'intégrité de l'alimentation.

Le placement d'une ferrite sur la sortie d'un circuit d'alimentation électrique à des fins de filtrage augmentera considérablement l'impédance de sortie de l'alimentation électrique près de la résonance de la ferrite, comme le montrent les courbes ci-dessous. Pour en savoir plus à ce sujet, regardez cette présentation de OMICRON Lab sur l'impédance de sortie de l'alimentation électrique.

Dans l'image ci-dessus, la courbe bleue montre l'impédance de sortie d'une alimentation électrique avec la ferrite présente sur la sortie. Bien qu'il soit vrai que la ferrite filtre le bruit haute fréquence qui pourrait se propager à travers la sortie du circuit d'alimentation électrique, elle crée également deux problèmes dans les systèmes à haute vitesse et les systèmes RF:

• La ferrite résonne avec les condensateurs, conduisant à une augmentation du bruit sur les rails d'alimentation
• L'inductance et la résistance supplémentaires de la ferrite peuvent interférer avec la boucle de contrôle du circuit d'alimentation électrique

Si vous regardez simplement la courbe d'impédance d'une perle de ferrite typique, cela devrait être évident. L'impédance atteint un pic dans les fréquences moyennes et devient principalement résistive. Que d'autre pourrait-on s'attendre à se produire en plaçant une ferrite sur la sortie d'une alimentation électrique ?

Exemple de courbe d'impédance de perle de ferrite pour la référence BLM18PG121SN1 de Murata.

Maintenant que nous sommes armés de ces informations, que se passe-t-il dans les trois situations où les ferrites sont placées comme indiqué ci-dessus ?

Réponse lente à haute fréquence

Parce que la ferrite devient résistive près de sa résonance, elle interfère avec la capacité de l'alimentation électrique à répondre rapidement lorsque une charge demande de l'énergie avec un taux de montée très rapide. Nous pouvons déduire cela juste en regardant l'impédance de sortie de l'alimentation électrique ; lorsque l'impédance de sortie est élevée, il est difficile pour l'alimentation électrique de répondre dans cette plage de fréquences. Cela conduira à de plus grandes fluctuations de tension lorsque des transitoires sont excités sur le PDN pour un composant numérique.

Cependant, ce comportement est exactement ce que vous souhaiteriez si vous essayez de filtrer tout bruit haute fréquence de l'alimentation électrique. En d'autres termes, si l'alimentation électrique n'a besoin de fournir que de l'énergie DC, et que votre charge fonctionne toujours en DC, alors l'impédance de sortie élevée de l'alimentation électrique à des fréquences moyennes n'a pas d'importance. Si la charge est toujours en DC, il n'y aura jamais de demandes de courant à des taux de montée rapides, donc nous n'avons pas à nous soucier du ripple sur le PDN, et la ferrite fournira une belle fonction de filtrage.

Pour en savoir plus à ce sujet, regardez l'extrait d'un épisode de podcast avec Heidi Barnes de Keysight.

Bruit VDD superposé sur les signaux de sortie

Dans la section précédente, où une ferrite est utilisée comme composant de filtrage sur la sortie d'une alimentation électrique et placée sur une broche VDD, les deux contribuent à un autre problème observé sur la sortie des E/S sur un composant numérique. Lorsque la ferrite est mise sur une broche VDD, elle augmente maintenant l'impédance de tout le PDN menant à cette broche. C'est essentiellement la même chose qu'augmenter l'impédance de sortie de l'alimentation électrique, et le résultat est le même bruit dans la tension du PDN.

Un exemple de trace d'oscilloscope dans l'instance où le PDN a une haute impédance est montré ci-dessous. Cette haute impédance peut provenir soit d'une inductance excessive, soit d'une résistance excessive ; rappelez-vous qu'une ferrite fournit les deux dans différentes plages de fréquences. Lorsque la haute impédance interagit avec un courant élevé, le produit de l'impédance et de la forme d'onde du courant donne une forme d'onde de tension.

Exemple de résultat de mesure de l'ondulation de la tension d'alimentation pour un PDN à haute impédance alimenté par un signal d'horloge de test. En savoir plus dans cet article.

Dans les deux cas de la ferrite sur la broche de sortie de l'alimentation ou la broche VDD de la charge numérique, le bruit est alors superposé sur le niveau de tension pour les signaux de sortie, qui sont directement alimentés par la broche VDD. C'est un exemple typique d'un problème d'intégrité de puissance tel qu'observé à la broche VDD devenant un problème d'intégrité de signal, et tout cela est dû à un ralentissement du temps de réponse du PDN lorsque les E/S tentent de tirer de grands courants à travers la broche VDD.

Isolation entre les rails

Le placement d'une ferrite comme élément d'isolation entre deux rails alimentés par le même régulateur suit la topologie montrée dans l'image ci-dessous. Ici, nous avons un seul régulateur alimentant deux charges ; les rails de chaque charge sont connectés l'un à l'autre à l'aide d'une seule ferrite, et chaque rail possède sa propre capacité.

Schéma de topologie illustrant le placement d'une perle de ferrite pour l'isolation entre deux charges alimentées par le même circuit d'alimentation.

Placer une ferrite comme élément d'isolation entre les rails a des résultats mitigés. D'un côté, placer la ferrite augmente l'impédance le long de la connexion, donc on s'attendrait à un bruit plus élevé à la sortie du rail isolé. Cependant, si le rail principal excite un transitoire, on pourrait s'attendre à ce que la ferrite aide à filtrer ce bruit haute fréquence et empêche qu'il atteigne le rail isolé. Alors, lequel de ces résultats se produit réellement ?

La réponse est « cela dépend ». En particulier, cela dépend des éléments suivants :

1. Le spectre de puissance requis par la charge principale
2. Le spectre de puissance requis par la charge isolée
3. La fréquence de résonance de la ferrite

Cela devrait illustrer pourquoi certains résultats de mesure sur cette question sont contradictoires ; il n'y a pas de règle absolue quant à la valeur de la fréquence de résonance de la ferrite à utiliser dans ce cas.

La raison en est que la ferrite, telle que placée dans la topologie ci-dessus, crée une impédance de transfert, qui est une fonction de la fréquence. Par conséquent, il n'y a pas de moyen facile de prédire si la ferrite est « mauvaise » autrement que par un calcul de réponse impulsionnelle, qui doit être effectué dans Mathematica, Matlab, ou à la main. Si vous n'êtes pas familier avec cela, vous pouvez essayer avec une simulation SPICE, ou vous pouvez construire une carte de test et la mesurer.

• En savoir plus sur l'utilisation des perles de ferrite dans la simulation SPICE
• Voir des exemples où les perles de ferrite échouent en isolation

Quelles sont les plages de fréquences pour les ferrites ?

Il y a beaucoup d'informations présentées ci-dessus, donc je pense qu'il est important de lier le placement des ferrites avec leur plage de fréquences de fonctionnement appropriée. Le tableau ci-dessous résume ces régimes de fonctionnement où les ferrites peuvent être utilisés et où ils ne devraient pas l'être.

Je pense que cela nous donne une bonne règle générale pour utiliser les perles de ferrite comme éléments de filtrage du bruit : si vos circuits sont destinés à fonctionner en DC ou seulement à de basses fréquences, alors très probablement une ferrite conviendra. Si votre carte utilise du numérique à haute vitesse, même avec un simple SPI, vous ne devriez pas utiliser la ferrite pour tenter d'éliminer le bruit entre votre alimentation et vos charges numériques.

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