Tutto Quello che c'è da Sapere sugli Anelli di Ferrite

Come ho espresso nel mio precedente articolo sulla progettazione del Power Delivery System, la progettazione dei sistemi d’alimentazione è stata complicata nel corso degli anni da una serie di regole empiriche errate, consigli di dubbia provenienza e una grande confusione su cosa funzioni o meno.

Uno degli ambiti più controversi riguarda l'uso degli anelli di ferrite come strumento per controllare e contenere le EMI. Esistono informazioni contrastanti sull'uso degli anelli di ferrite, ed è difficile stabilire quali siano valide e quali no. Il vero problema è che gran parte delle informazioni errate possono sembrare valide a causa della grande quantità di dati ad esse associate. Come se non bastasse, anche le note applicative di alcuni circuiti integrati raccomandano l'uso degli anelli di ferrite come mezzo efficace per eliminare le interferenze elettromagnetiche.

Per aiutare a fare chiarezza, questo articolo affronterà diversi argomenti, tra cui:

• Quali sono le origini degli anelli di ferrite?

• Come sono stati impiegati?

• Perché si è supposto che l'impiego degli anelli di ferrite fosse una regola di progettazione valida?

• Cosa succede realmente quando un anello di ferrite viene posto in serie con il cavo d’alimentazione di un IC?

• Cosa fare quando un fornitore di circuiti integrati raccomanda l'utilizzo degli anelli di ferrite?

Come risultato di questa discussione, verrà dimostrato come l'utilizzo di anelli di ferrite in serie con un cavo d’alimentazione di un IC non elimini né limiti le interferenze elettromagnetiche ma, di fatto, degradi le prestazioni del PDS.

La Origini degli Anelli di Ferrite

TTanto per cominciare, gli anelli di ferrite non sono veri e propri anelli, ma piccoli induttori. Quelli che tanti chiamano anelli, sfere, o perle sono in realtà toroidi. (Un toroide è una bobina di filo isolato o smaltato avvolto su una forma ad anello composta di ferro in polvere. Viene utilizzato come induttore nei circuiti elettronici, specialmente alle basse frequenze, dove sono necessarie induttanze relativamente elevate. Sono da sempre usati come nuclei dei trasformatori). Per coerenza, chiameremo gli induttori di ferrite “anelli di ferrite”, come d'uso comune nel settore.

Gli anelli di ferrite sono componenti a montaggio superficiale molto simili ad altri componenti come i resistori e i condensatori. Sono anche disponibili nelle stesse dimensioni di questi componenti. Un tipico package di anelli di ferrite è illustrato nella figura 1. Si noti come la parola "anelli" sia racchiusa tra virgolette, in quanto questi sono a tutti gli effetti toroidi.

Figura 1 Tipico package di "anelli" di ferrite

Per quanto riguarda la loro composizione, gli anelli di ferrite sono realizzati con un materiale ferrimagnetico comunemente indicato come ferrite. Questo materiale si comporta come un induttore costituito da una bobina di filo. La peculiarità interessante di questo componente è la sua induttanza relativamente alta in un fattore di forma ridotto. Generalmente, questi componenti non sono classificati a seconda della loro induttanza, ma piuttosto a seconda dell'impedenza ad una particolare frequenza. Come mostrato nella Figura 2, l'impedenza di un anello di ferrite è in funzione della frequenza, proprio come un induttore, con un'impedenza piuttosto bassa alle basse frequenze, che tende a raggiungere un picco prima di scendere.

Figura 2. Impedenza tipica degli anelli di ferrite rispetto alla frequenza

La Storia degli Anelli di Ferrite

L'utilizzo degli anelli di ferrite nella progettazione PCB risale alla fine degli anni '80, quando i dispositivi CMOS personalizzati sono finalmente riusciti a commutare abbastanza velocemente da creare frequenze nella banda EMI. I tecnici EMI hanno quindi iniziato ad inserire anelli di ferrite nei cavi d’alimentazione dei dispositivi per sopprimere queste interferenze. Questo era possibile poiché la parte non era più in grado di commutare abbastanza velocemente da creare frequenze nella banda EMI. Insomma, gli anelli di ferrite venivano usati come un cerotto: impedivano alla parte di produrre rumore, ma le impedivano anche di commutare velocemente. Quando gli anelli di ferrite sono stati utilizzati per la prima volta, la velocità, in termini di fronti rapidi, non era considerata una priorità. Ecco perché si è consolidato il loro utilizzo.

Si veda la figura 3 per una dimostrazione di questo fenomeno, dove un anello di ferrite viene posto in serie con il cavo d'alimentazione di un IC, creando un circuito.

Figura 3. IC con anello di ferrite nel cavo d'alimentazione

Le frequenze della gamma EMI irradiata vanno da 30 MHz a 1 GHZ per la maggior parte dei prodotti. L'impedenza dell'anello di ferrite impedisce quindi all'IC di prelevare energia ad alte frequenze dall'alimentatore. Di conseguenza, non sono presenti alte frequenze sul package del circuito integrato in grado di creare problemi EMI. Questo è uno dei due metodi a disposizione per controllare le interferenze elettromagnetiche: eliminare la sorgente o eliminare l'antenna. Questa tecnica ha funzionato per un certo periodo, almeno finché i circuiti integrati e gli ASIC non hanno dovuto operare con fronti o clock veloci. Prima dell'arrivo dei circuiti integrati da 130 nanometri, gran parte dei circuiti funzionava abbastanza lentamente da non richiedere una sorgente a bassissima impedenza alle alte frequenze. Insomma, era solo un caso che i Power Delivery System funzionassero correttamente, e non certo una soluzione ingegneristica valida.

Cosa Fanno Davvero gli Anelli di Ferrite?

Quello che accade effettivamente quando si posiziona un anello di ferrite in serie con il cavo d’alimentazione di un circuito integrato è il degrado delle prestazioni del PDS, aumentando l'impedenza d'uscita del dispositivo. È importante ricordare che un alimentatore dovrebbe essere una fonte di tensione, il che significa che non importa quanta corrente venga assorbita, la tensione in uscita rimane sempre la stessa. In altre parole, gli alimentatori dovrebbero avere un'impedenza di uscita nulla o molto bassa a tutte le frequenze per svolgere correttamente il proprio lavoro. Come notato sopra, la velocità dei circuiti integrati è aumentata al punto tale che l'aggiunta degli anelli di ferrite ha impedito loro di funzionare correttamente. Questo perché l'impedenza in uscita del PDS era troppo elevata. La soluzione proposta fu quindi quella di aggiungere un condensatore dopo l'induttore, come mostrato nella figura 4.

Figura 4. IC con anello di ferrite e condensatore nel cavo d'alimentazione

Questo ha risolto il problema operativo ma ha fatto riemergere il problema EMI. Il metodo consigliato per l'implementazione di questo circuito è stato quindi quello di tagliare un'isola nel piano Vdd. Ma anche questa non è un'alternativa valida (vedi Nota 1 alla fine di questo articolo).

Si noti come, nella Figura 4, il condensatore sia chiamato "condensatore di bypass" e virgolettato. Vorrei richiamare l'attenzione sul fatto che questo condensatore non bypassa il rumore, ma serve come fonte di carica ad alta frequenza, in modo che l'ASIC possa tornare a commutare rapidamente. Un nome migliore per questi condensatori sarebbe "Coulomb buckets" poiché funzionano come dispositivi di accumulo locali (si veda il mio post sulla progettazione corretta dei Power Delivery System, PARTE 1, per ulteriori informazioni sui Coulomb buckets).

Perché l'Uso degli Anelli di Ferrite Viene Raccomandato nelle Note Applicative?

Va notato come, in un ASIC ad alta velocità, l'induttore e il condensatore formino un filtro passa-basso che impedisce al rumore ad alta frequenza di raggiungere il componente dalla parte del sottosistema di alimentazione. Questa è la ragione per cui molte note applicative raccomandano l'uso degli anelli di ferrite in serie con i cavi d’alimentazione dei dispositivi PLL (anello ad aggancio di fase) e altri circuiti di tipo "analogico," inclusi i serializzatori/deserializzatori ad alta velocità (SERDES).

I produttori di circuiti integrati hanno raccomandato l'uso degli anelli di ferrite nelle loro note applicative per un paio di ragioni. Innanzitutto, gli autori delle note applicative sono soliti dire: "Abbiamo sempre fatto in questo modo e se non segui la nostra nota applicativa, non garantiamo che il circuito funzioni correttamente." Con una premessa del genere, è legittimo aspettarsi che il fornitore garantisca la funzionalità del circuito una volta seguite alla lettera le note applicative. Ma purtroppo, non sempre è così.

La seconda ragione per cui i fornitori raccomandano l'utilizzo degli anelli di ferrite, è che questi bloccano il rumore nel sottosistema d’alimentazione impedendogli di entrare nel circuito sensibile. Qui a Speeding Edge, abbiamo visto esempi del genere in alcuni circuiti di prova. Il rumore è stato effettivamente bloccato, ma è probabile la scarsa erogazione di potenza al circuito da proteggere abbia degradato le prestazioni del circuito.

La Figura 5 mostra la forma d'onda d'uscita di un collegamento seriale da 3,125 GB/S con un anello di ferrite posto nel cavo d'alimentazione dello stadio d'uscita.

Figura 5. Uscita Serdes da 3,125 Gb/S con anello di ferrite nel cavo d’alimentazione

La Figura 6 mostra la stessa uscita con l'anello di ferrite rimosso e il cavo d’alimentazione collegato direttamente al Vdd. Come si può notare, l'inserimento dell'anello di ferrite peggiora le prestazioni del circuito.

Figura 6. Uscita Serdes da 3,125 Gb/S con anello di ferrite rimosso dal cavo d’alimentazione

Il circuito per la Figura 5 è stato consigliato dal fornitore del componente senza prima verificarne la validità. Le forme d'onda mostrate sono tratte da una scheda di valutazione fornita dal fornitore. In termini di blocco del rumore dal sottosistema d’alimentazione, questa soluzione non ha fatto altro che mitigare un sintomo, senza agire sulle cause del problema. Il problema nel sottosistema d’alimentazione esiste perché questo non è stato progettato correttamente.

L’erogazione di potenza di un circuito integrato è un aspetto fondamentale che i fornitori devono saper comprendere. Questo include il delta I massimo che il circuito può richiedere al PDS e a quali frequenze, così come il delta V massimo consentito (ripple). Senza queste informazioni, è impossibile progettare un PDS funzionante e affidabile.

Tra le specifiche dei componenti come un amplificatore operazionale, una delle specifiche elencate è il rapporto di reiezione dell'alimentazione. Questo rapporto specifica di quanto le variazioni di tensione della tensione d'alimentazione influiscano sull'output del dispositivo. È possibile effettuare tali misurazioni per i circuiti integrati e i PLL digitali. L'idea che i circuiti integrati siano solo "logici," e non necessitino quindi di questo livello di caratterizzazione, risale ai tempi della TTL, ovvero a quando era presente una tolleranza così alta per le variazioni Vcc che non era necessario tenerne conto.

Idealmente, un fornitore di circuiti integrati dovrebbe essere in grado di guidare gli utenti nella creazione di un sistema d’alimentazione funzionale. Ogni volta che viene consigliato di aggiungere un anello di ferrite nel cavo d’alimentazione di un dispositivo, si dovrebbero porre quattro domande al fornitore del circuito integrato:

1. Esiste un problema che può essere risolto aggiungendo un anello di ferrite?

2. L'anello di ferrite risolverà davvero il problema?

3. Posso essere sicuro che l'aggiunta dell'anello di ferrite non crei un nuovo problema (come quello mostrato nella Figura 5)?

4. Usare un anello di ferrite è davvero il modo migliore per risolvere il problema?

Per nostra esperienza, è sufficiente rispondere alle prime due domande per far eliminare gli anelli di ferrite dal progetto. Ogni volta che abbiamo trovato una nota applicativa che raccomandava l'uso di anelli di ferrite, abbiamo chiamato il fornitore/autore del circuito integrato e posto le quattro domande precedenti. Mai è capitato di arrivare alla conclusione che l'anello di ferrite fosse effettivamente la scelta migliore.

Se dopo queste domande, il fornitore insistesse ancora sull'uso di anelli di ferrite, è imperativo insistere per vedere un circuito di prova in cui il componente viene impiegato proprio come nel progetto finale. Se questo non fosse possibile, sarebbe legittimo insospettirsi. Ci è capitato di faticare nel far funzionare correttamente un microprocessore, così abbiamo chiesto di vedere il circuito di prova utilizzato per creare la nota applicativa e le specifiche tecniche. Ci è stato detto che non ne era mai stato creato uno. Quando abbiamo chiesto, "come fate allora a sapere che la parte funziona correttamente?" La risposta è stata: "la diamo ai nostri clienti e loro ci dicono se funziona o meno!"

Riepilogo

Alla Speeding Edge, la nostra esperienza è che l'utilizzo degli anelli di ferrite sia il risultato di una prova empirica, un rimedio temporaneo al problema ma mai una buona soluzione ingegneristica. Come osserva Lee Ritchey, presidente di Speeding Edge, "Negli oltre 40 anni di progettazione di sistemi informatici ad alta velocità e prodotti di rete, non ho mai usato un anello di ferrite nel cavo d’alimentazione di un dispositivo, sia esso un PLL o un circuito analogico. Tutti hanno sempre funzionato secondo le loro specifiche, superando i test EMI ed ESD appropriati. Ho sempre preferito determinare invece quali fossero i requisiti di "ripple" di un circuito e progettare il PDS per soddisfare tali requisiti."

Note:

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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