Modelli di perline di ferrite e impedenza di trasferimento in una simulazione PDN

L'uso delle ferriti in una PDN è una raccomandazione di progettazione che è oggetto di indicazioni poco chiare e consigli troppo generalizzati. Quindi, cosa fare se vedi una nota applicativa o un progetto di riferimento che consiglia di posizionare una ferrite in una PDN? Devi seguire questa indicazione nel tuo progetto, o puoi ignorarla e concentrarti sull'aggiunta di capacità? E se invece usi la ferrite per isolare due piste?

Queste sono le due domande alle quali vogliamo rispondere in questo articolo. Gli usi delle ferriti in una PDN sono tipicamente due: come presunto elemento filtrante collegato direttamente a un pin VDD o come elemento di blocco tra due piste differenti. Il primo caso dovrebbe essere evitato; il secondo può essere promettente, ma la ferrite deve essere scelta correttamente e utilizzata sulla pista appropriata. Questi aspetti possono essere esaminati in una simulazione SPICE in una gamma di frequenza intermedia (fino a circa 1 GHz), ed è quello che faremo in questo articolo.

Perline di ferrite in una PDN: filtraggio o isolamento?

Ho affermato molte volte, e altri progettisti saranno d'accordo, che l'inserimento di una ferrite in una PDN aggiungerà induttanza alla PDN a frequenze intermedie, il che solitamente si rivela una cattiva idea se la PDN deve supportare componenti che commutano a velocità elevate (circa 1 ns o meno). Molti dati confermano questa affermazione, soprattutto quando la ferrite è collegata a una pista che alimenta gli I/O ad alta velocità. Tuttavia, questo approccio si ritrova nelle note applicative sui regolatori di potenza in generale, e l'uso delle ferriti a volte viene decontestualizzato o implementato dove non ha senso.

Detto questo, ho progettato le schede senza includere la ferrite per l'isolamento, anche se la ferrite era consigliata come parte del progetto di riferimento o inclusa in una nota applicativa. La ferrite non viene utilizzata neanche come elemento per isolare una pista da un'altra, ad esempio l'ingresso VDD e una pista di alimentazione PLL.

In questo articolo vedremo proprio il caso di utilizzo di una ferrite come elemento isolante tra due piste su una PDN in una simulazione SPICE. In sostanza, vogliamo simulare l'impedenza di trasferimento tra due piste su una PDN. Leggi questo articolo per saperne di più sull'impedenza di trasferimento prima di procedere oltre, così come questo articolo che esamina la nostra simulazione PDN di base con più condensatori. Continuerò con il modello di simulazione PDN di base aggiungendo una pista e cercando di isolarla con una ferrite.

Modello di simulazione con una perlina di ferrite

Il modello di simulazione per la nostra PDN con una ferrite include due piste: una pista di alimentazione per I/O e una pista aggiuntiva che modella un elemento di commutazione più lento come un PLL. La pista PLL viene isolata dalla pista I/O utilizzando una perlina di ferrite (a volte chiamata chip di ferrite). L'obiettivo della nostra simulazione è esaminare l'efficacia di una tipica ferrite come elemento isolante tra queste due piste.

Il banco di condensatori di disaccoppiamento è composto da 36 condensatori con vari valori di frequenza di risonanza automatica (SRF).

La ferrite utilizzata nella simulazione è quella con codice prodotto BLM18PG121SN1 di Murata. Nella modellazione è stato utilizzato un circuito RLC parallelo, come si usa di solito nelle simulazioni SPICE per rappresentare le ferriti. Utilizzando la larghezza di banda, la resistenza alla risonanza e la frequenza risonante, la ferrite può essere modellata prendendo R = 150 ohm, L = 347 nH e 0,3603 pF. Specifico che questa non è una rappresentazione perfetta della ferrite, ma è il meglio che si possa fare senza un modello di simulazione preciso per questa componente.

Durante la simulazione, moduleremo il valore R della ferrite solo per vedere i suoi effetti sul trasferimento del rumore tra le due piste nel modello di simulazione. Con il modello precedente per la simulazione dei decap e il modello precedente per l'isolamento della ferrite sulla pista PLL, ora abbiamo ciò di cui abbiamo bisogno per eseguire una simulazione. Esamineremo alcuni casi per distinguere tra diverse fonti di rumore:

• La tensione sulla pista PLL quando la commutazione riguarda solo la pista I/O
• La tensione sulla pista PLL quando la commutazione riguarda PLL e I/O

Entrambi i casi ci consentono di calcolare l'intera matrice di impedenza della PDN, se vogliamo. Poiché abbiamo 2 piste, questa sarebbe una matrice 2x2 che mette in relazione l'assorbimento di corrente alla porta n con la tensione misurata alla porta m:

L'obiettivo n. 1 di cui sopra equivale a calcolare Z21 nella matrice di impedenza. Lo useremo per spiegare meglio i risultati visti nella simulazione. Per esaminare la propagazione del rumore sulla pista PLL, confronteremo la forma d'onda di tensione della pista PLL con la forma d'onda di tensione della pista I/O.

Risultati: commutazione su pista I/O, PLL silenzioso

Di seguito sono riportati i risultati iniziali che mettono a confronto la tensione sulla pista I/O con la tensione sulla pista PLL. La commutazione nella pista I/O ha un tempo di aumento di 1 ns alla frequenza di 1 MHz, mentre la pista PLL non effettua la commutazione.

Le forme d'onda di dominio temporale sottostanti sembrano suggerire che la ferrite non ha alcun effetto sull'isolamento del rumore, indipendentemente dalla resistenza parallela e dall'induttanza effettive della ferrite. Infatti, l'aumento dell'induttanza della ferrite di un fattore 1000 sembra non avere alcun effetto sull'isolamento del rumore.

Anche se non è evidente, c'è una transizione molto brusca proprio sul fronte di salita della forma d'onda della tensione I/O. Se ingrandiamo, possiamo vedere che questo fronte di salita non è un artefatto, ma piuttosto è associato a un polo ad alta frequenza nell'impedenza della pista I/O (nel parametro Z11).

Ora possiamo notare l'effetto della ferrite; sulla pista I/O è generato un rumore ad alta frequenza a causa di un polo nel parametro Z11 situato a 631 MHz. Questo stesso polo lo si ritrova nello spettro dell'impedenza di trasferimento (Z21), ma sembra essere a un'impedenza molto più bassa. Tuttavia, la parte ad alta frequenza della risposta transitoria, come mostrato sopra, subisce un maggiore smorzamento grazie al posizionamento della ferrite. È chiaro che il valore R/L standard nel modello di ferrite è il fattore che determina lo smorzamento nella risposta transitoria, proprio come avviene in qualsiasi altro circuito RLC. In altre parole, preferiremmo una grande resistenza e una bassa induttanza, il che va contro la giustificazione per l'utilizzo della ferrite in una PDN.

Al contrario, il rumore a bassa frequenza sembra non essere totalmente influenzato dalla ferrite. Il rumore a bassa frequenza a 2,81 MHz è quasi identico su entrambe le piste, quindi ci aspettiamo che i parametri Z per questi binari e lo spettro Z21 abbiano gli stessi poli a 2,81 MHz. In effetti, questo è ciò che vediamo negli spettri dei parametri Z mostrati di seguito.

Confrontando l'autoimpedenza della pista I/O (Z11) con lo spettro di impedenza del trasferimento (Z21), è molto chiaro che vi è solo un vantaggio marginale al polo da 631 MHz e nessun vantaggio al polo da 2,81 MHz (questo è il polo principale che conta). Sebbene possa sembrare che la ferrite sulla pista PLL sia responsabile della riduzione del rumore, anche il condensatore di bypass riduce il rumore grazie al suo valore SRF a 1,59 GHz. I due insieme agiscono in modo simile a un condensatore ESR controllato, fornendo uno smorzamento elevato e un rumore ridotto.

Risultati: commutazione su pista PLL, commutazione I/O

Ora possiamo studiare come la commutazione della pista PLL sarà influenzata dalla presenza della ferrite. I risultati dell'analisi transitoria riportati di seguito mostrano chiaramente come l'azione di commutazione nel PLL crei enormi sbalzi nella tensione della pista del PLL. Le curve rosse e verdi indicano rispettivamente la tensione della linea PLL con e senza ferrite. Non appena il PLL si accende dopo 5 us (curva blu tratteggiata), vediamo che la pista PLL con la ferrite presenta enormi picchi di tensione. Questi picchi non sono visibili sulla stessa pista PLL senza la ferrite.

Possiamo vedere chiaramente che la pista PLL è di nuovo pulita una volta rimossa la ferrite (curva verde in alto). In effetti, non vediamo nemmeno il rumore proveniente dalla sezione I/O! Questa è l'ennesima prova a sfavore della ferrite nella nostra progettazione. È il condensatore il principale riduttore del rumore, non la ferrite. I risultati confermano che è preferibile prevedere una maggiore capacità piuttosto che l'aggiunta di induttanza nella progettazione. Questo mostra anche la modifica progettuale richiesta sulla pista I/O: aggiungere alcuni piccoli condensatori che puntano direttamente al picco di 631 MHz nello spettro di impedenza PDN.

Riepilogo

Cosa abbiamo imparato da questo esercizio? Gli esiti sembrano contrastanti, con risultati minimamente accettabili per il polo ad alta frequenza e nessun risultato per il più problematico polo a bassa frequenza. Ci sono quattro punti importanti:

1. La ferrite ha impedito che alcuni rumori ad alta frequenza provenienti dalla pista I/O raggiungessero la pista PLL. Questo risultato è stato ottenuto perché il polo si trovava nella banda resistiva della ferrite, come si può vedere confrontando il rumore di I/O misurato sulla pista I/O con il rumore I/O misurato sulla pista PLL.
2. Il condensatore di bypass sulla pista PLL contribuisce notevolmente all'isolamento purché venga scelto correttamente (in modo tale che il suo SRF sia vicino al polo ad alta frequenza).
3. La ferrite non ha fatto assolutamente nulla per ridurre il rumore a bassa frequenza proveniente dalla pista I/O prima che raggiungesse la pista PLL. Se il PLL funzionasse a soli 0,9 V, il rumore a bassa frequenza creerebbe un'interferenza significativa.
4. Durante la commutazione dell'elemento PLL a bassa velocità simulato, l'induttanza della ferrite ha causato picchi molto elevati sulla pista PLL.

Nel complesso, sembra che la ferrite non sia stata di grande aiuto nei punti in cui era necessaria. Possiamo dedurre che l'aggiunta di condensatori scelti in modo appropriato potrebbe offrire gli stessi vantaggi della ferrite senza i problemi aggiuntivi che questa comporta. Dalla curva di impedenza della perlina, possiamo vedere che la perlina fornisce uno smorzamento aggiuntivo praticamente nullo a bassa frequenza, quindi non ci aspettiamo che il rumore a bassa frequenza venga attenuato. Il rumore a bassa frequenza può invece essere risolto utilizzando un grande condensatore con SRF = 2,81 MHz su entrambe le piste.

Quindi, è consigliabile utilizzare una ferrite per l'isolamento nella PDN? In sostanza, dovrai fare attenzione, perché la risposta dipende dalla gamma di frequenze da cui devi isolarti. Inoltre, è opportuno verificare che la ferrite non crei un nuovo problema di rumore sulla pista isolata. Se ritieni di dover utilizzare una ferrite per l'isolamento delle piste nella tua PDN, assicurati di effettuare prima una simulazione per assicurarti che la ferrite raggiunga lo scopo previsto.

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