Tutto Quello Che vi Occorre Sapere Sui Manicotti di Ferrite e sul loro uso nei PCB

Come ho illustrato in un mio articolo precedente riguardante il progetto di PDS (sistemi di alimentazione), il tema dell’alimentazione è stato funestato, nel corso degli anni, da una serie di regole empiriche errate, da regole di progetto “magiche” e in generale da grande confusione su cosa funziona e su cosa invece non va bene.

Una delle aree più controverse riguarda l’utilizzo dei manicotti di ferrite come mezzo per controllare e contenere le interferenze elettromagnetiche (EMI). Ci sono informazioni contraddittorie sul loro uso e non è semplice determinare quali informazioni siano corrette e quali non lo siano. Il problema è che le informazioni non corrette appaiono essere giuste in quanto sembrano essere convalidate da un numero di dati elevato. Per aumentare la confusione nelle note applicative di alcuni circuiti integrati viene suggerito l’uso dei manicotti di ferrite come modo per eliminare le interferenze elettromagnetiche (EMI).  

Per aiutare a chiarire la confusione questo articolo del blog andrà ad affrontare vari argomenti come:

• Qual è l’origine dei manicotti di ferrite?

• Qual è la storia del loro utilizzo?

• Perché è stato stabilito che utilizzare i manicotti di ferrite è una regola di progetto valida?

• Cosa accade in realtà quando un manicotto di ferrite viene inserito in serie al cavo di alimentazione di un circuito integrato?

• Cosa fare quando un rivenditore di circuiti integrati specifica l’utilizzo dei manicotti?

Come risultato della discussione dimostreremo come l’uso dei manicotti di ferrite in serie con l’alimentazione di un circuito integrato in realtà non elimina o contiene le interferenze elettromagnetiche ma degrada le prestazioni del sistema di alimentazione.  

Le origini dei manicotti di ferrite

Iniziamo ad esaminare il primo punto che crea confusione: i manicotti di ferrite non sono in realtà manicotti. Sono dei piccoli induttori.  Quello che viene comunemente descritto con la parola “manicotto” è un toroide. (Un toroide è una spira di cavo isolato o smaltato avvolto attorno ad un oggetto dalla forma a ciambella realizzato in polvere di ferro. Viene utilizzato come induttore nei circuiti elettronici, specialmente a basse frequenze dove sono necessarie induttanze relativamente grandi. I toroidi vengono usati da tantissimo tempo come nuclei dei trasformatori). Per mantenere la congruenza in questo articolo chiameremo gli induttori di ferrite con il termine da sempre utilizzato nel settore, ovvero come manicotti di ferrite.   

I manicotti di ferrite, in modo simile ad altri componenti come resistenze e condensatori, sono montati superficialmente. Hanno anche le stesse dimensioni di questi componenti. Un tipico manicotto di ferrite è mostrato in Figura 1. Notate come attorno alla parola “manicotto” siano presenti delle virgolette, dato che quella parte non è, a tutti gli effetti, un manicotto.

^{Figura 1. Una rappresentazione dei tipici “manicotti” di ferrite} 

Per quanto riguarda la composizione i manicotti di ferrite sono realizzati in un materiale ferromagnetico chiamato, appunto, ferrite. Questo materiale si comporta come un induttore composto da una spira di filo. La caratteristica che rende questo componente interessante è il fatto che presenta una induttanza relativamente elevata in un piccolo fattore di forma. Tipicamente questi componenti non sono specificati dall’induttanza che presentano ma piuttosto dalla loro impedenza ad una particolare frequenza. Come mostrato nella figura 2 l’impedenza di un manicotto di ferrite varia in funzione della frequenza in modo molto simile a quello di un induttore, ovvero con un’impedenza di valore basso partendo dalle basse frequenze per poi andare ad aumentare fino a scendere di nuovo.  

^{Figura 2. Impedenza tipica che i manicotti di ferrite possono sviluppare rispetto alla frequenza}

La storia dell’utilizzo dei manicotti di ferrite

L’uso dei manicotti di ferrite nel progetto di PCB nasce verso la fine degli anni ‘80 quando i dispositivi CMOS diventarono finalmente veloci abbastanza da creare frequenze nella banda delle EMI. I tecnici che si occupavano di EMI iniziarono a inserire manicotti di ferrite nei cavi di alimentazione dei dispositivi osservando che le EMI scomparivano; tuttavia questo avveniva perché i componenti non potevano più commutare alla velocità necessaria a creare le frequenze che appartengono alla banda delle EMI.  I manicotti, quindi, costituivano solo una soluzione temporanea. Funzionavano e impedivano ai componenti di produrre interferenze ma precludevano anche ai componenti stessi di funzionare alla massima velocità. Quando i manicotti di ferrite hanno iniziato ad essere utilizzati le velocità non erano così importanti come ora, per cui il loro uso si è diffuso rapidamente.

Andiamo ad approfondire ulteriormente questo concetto. Quando un manicotto di ferrite viene posto in serie ad un cavo di alimentazione di un circuito integrato (IC), come mostrato nella figura 3, si crea un circuito.

^{Figura 3. Ecco un esempio dell’uso dei manicotti di ferrite: IC con manicotto nel cavo di alimentazione.}

Le frequenze delle EMI variano, tipicamente, tra 30MHz e 1GHZ per la maggior parte dei prodotti.  Quando il circuito integrato tentava di essere alimentato a frequenze elevate non poteva farlo a causa dell’impedenza del manicotto di ferrite.  Di conseguenza non erano presenti, nei circuiti integrati, frequenze abbastanza elevate da creare problemi di EMI. Questo è uno dei due modi che esistono per controllare le EMI: eliminare la sorgente o eliminare l’antenna. Questa tecnica funziona finché non è richiesto che i circuiti integrati o gli ASIC (circuiti integrati specializzati per un'applicazione) funzionino con commutazioni o clock veloci. Prima dell’introduzione degli IC a 130 nanometri la maggior parte dei circuiti operavano a bassa velocità per cui non c’era l’esigenza di avere una sorgente di bassa impedenza ad alte frequenze. In questo caso gli alimentatori funzionavano nonostante queste cattive abitudini invece di fare affidamento alle buone pratiche di ingegneria.  

Cosa fanno davvero i manicotti di ferrite?

Quello che succede davvero quando inserite un manicotto di ferrite in serie ad un cavo di alimentazione di un IC è che le prestazioni dell’alimentatore si degradano, come si vede dall’aumento dell’impedenza di uscita. È importante sottolineare come un alimentatore sia anche una fonte di tensione, il che significa che, indipendentemente dalla corrente assorbita, il suo voltaggio deve rimanere costante. In altre parole gli alimentatori devono avere un’impedenza di uscita a tutte le frequenze pari a 0, oppure estremamente bassa, per funzionare correttamente. Come descritto in precedenza la velocità dei circuiti integrati è andata progressivamente aumentando fino al punto in cui i manicotti di ferrite impedivano ai circuiti di operare come voluto. La ragione è che l’impedenza di uscita dell'alimentatore era troppo elevata. La soluzione proposta è stata quella di aggiungere un condensatore dopo l’induttore come mostrato nella figura 4.

^{Figura 4. Un altro pratico esempio dell’uso dei manicotti di ferrite: IC con manicotto e condensatore nel cavo di alimentazione.}

Questo approccio risolve il problema del funzionamento ma reintroduce le EMI. Per cui il metodo consigliato per l’implementazione di questo circuito è quello di tagliare un’isola nel piano Vdd. Tuttavia anche questa non è un’alternativa valida (come si può vedere nel Riferimento 1 alla fine di questo articolo).

Notate come nella figura 4 il condensatore è chiamato condensatore di “bypass” con le virgolette. La ragione delle virgolette è per richiamare l’attenzione sul fatto che il condensatore non bypassa i disturbi ma funziona come sorgente di alte frequenze in modo che l’ASIC possa nuovamente commutare rapidamente. Una definizione migliore per questi condensatori sarebbe “vaschette di Coulomb” dato che operano come dispositivi di stoccaggio locale (potete leggere ulteriori informazioni a riguardo nel mio articolo “ALIMENTAZIONE - COME PROGETTARE CON SUCCESSO SISTEMI DI ALIMENTAZIONE, PARTE 1”).

Perché l’utilizzo di manicotti di ferrite è inserito nelle note applicative?

Occorre notare come in un ASIC ad elevata velocità l’induttore e il condensatore formino un filtro passa-basso che impedisce ai disturbi ad alta frequenza di raggiungere il componente dal sottosistema di alimentazione del sistema complessivo. Questa è la ragione per la quale in molte note applicative viene consigliato di applicare manicotti di ferrite in serie ai cavi di alimentazione dei dispositivi PLL (phase locked loop, anelli ad aggancio di fase) e ad altri tipi di circuiti “analogici” tra cui i serializzatori/deserializzatori ad elevata velocità (SERDES).  

I fornitori di circuiti integrati di solito consigliano di usare i manicotti di ferrite nelle note applicative per due ragioni. In primo luogo l’autore delle note applicative potrebbe scrivere qualcosa tipo: “abbiamo sempre fatto così e se non viene rispettata questa nota non possiamo garantire che il circuito funzionerà correttamente”. Se ci si trova di fronte ad un'affermazione del genere dovrebbe venire spontaneo chiedersi se il fornitore può in effetti garantire che il circuito funzionerà se si rispetta la nota.... Spesso la risposta è “no”, cosa che non dovrebbe farvi dormire sonni troppo tranquilli quando utilizzate quel particolare circuito integrato.

La seconda ragione che un fornitore può fornire per specificare l’utilizzo dei manicotti di ferrite in un sistema PCB è che il manicotto serve per evitare che i disturbi nel sottosistema di alimentazione raggiungano le parti sensibili del circuito. Noi di Speeding Edge abbiamo visto degli esempi di questo nei circuiti di test. I disturbi vengono davvero bloccati ma le prestazioni del circuito peggiorano data la cattiva fornitura di potenza al circuito che viene protetto.

La figura 5 mostra una forma d’onda di uscita di un collegamento seriale a 3.125 GB/S nel cavo di alimentazione dello stadio di uscita.

^{Figura 5. Uscita Serdes a 3.125 Gb/S con manicotto di ferrite nel cavo di alimentazione. L’utilizzo improprio dei manicotti di ferrite può comportare una significativa riduzione delle prestazioni.}

La figura 6 mostra la stessa uscita con il manicotto di ferrite rimosso e il cavo di alimentazione collegato direttamente al Vdd. Come si può vedere inserire il manicotto di ferrite peggiora le prestazioni del circuito.

^{Figura 6. Uscita Serdes a 3.125 Gb/S senza manicotto di ferrite nel cavo di alimentazione}

Il circuito della figura 5 era quello consigliato dal fornitore del componente che evidentemente non aveva verificato prima che il suggerimento fosse davvero utile. Le forme d’onda mostrate sono state prese da una scheda di valutazione fornita dal rivenditore. Per quanto riguarda il blocco dei disturbi generati dal sottosistema di alimentazione questo approccio tratta solamente il sintomo senza andare a risolvere la causa del problema. Il problema è che erano presenti disturbi nel sistema di alimentazione perché esso non era stato progettato correttamente.  

L’elemento chiave, per un fornitore di circuiti integrati, è comprendere le necessità, in termini di potenza, di quel circuito integrato. Questo include il massimo delta I che il circuito può richiedere in termini di alimentazione e a quali frequenze e anche il massimo ammesso del delta V (ondulazione). Senza queste informazioni è impossibile progettare un sistema di alimentazione affidabile e che funziona bene.  

Quando si leggono le specifiche di un componente, ad esempio un amplificatore operazionale, una delle specifiche è il rapporto di reiezione di alimentazione. Esso misura l’ammontare delle variazioni del voltaggio dell’alimentatore che influenzano l’uscita del dispositivo. È possibile effettuare queste misure per i circuiti integrati digitali e i PLL. L’idea che gli IC siano solo dispositivi “logici” per i quali non è necessario questo livello di approfondimento si trascina dal periodo dei TTL nel quale c’era una tolleranza maggiore per le variazioni di tensione, che potevano spesso essere trascurate. 

In realtà un fornitore deve essere in grado di suggerire agli utenti come creare un sistema di alimentazione funzionale. Ogni volta che viene consigliato di inserire un manicotto di ferrite nel cavo di alimentazione di un dispositivo dovete iniziare a domandarvi se il fornitore sia davvero affidabile.

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

2. Il manicotto di ferrite è in grado davvero di risolvere il problema?

3. Posso essere sicuro che l’aggiunta del manicotto di ferrite non introduca nuovi problemi (come mostrato nella figura 5)?

4. L’utilizzo di un manicotto di ferrite è il modo migliore per risolvere il problema?

In base alla nostra esperienza, dopo aver risposto alle prime due domande, i manicotti di ferrite vengono eliminati dal progetto. Ogni volta che abbiamo incontrato note applicative che consigliano l’utilizzo di questo componente abbiamo chiamato l’autore/il fornitore per formulargli queste stesse domande. In nessuna circostanza abbiamo visto che, dopo aver risposto a queste domande, l’aggiunta di un manicotto di ferrite fosse ancora considerata una buona idea. 

Se, dopo tutto questo il fornitore continua ad insistere sull’uso dei manicotti di ferrite diventa imperativo richiedere un circuito di test nel quale il componente viene utilizzato esattamente nel modo in cui si intende utilizzarlo nel nuovo progetto. Se non esistono circuiti di prova è meglio insospettirsi. In un caso avevamo difficoltà nel far funzionare correttamente un microprocessore e abbiamo richiesto di esaminare il circuito di prova utilizzato per determinare le note applicative e le specifiche del componente. Ci è stato risposto che non esisteva un circuito di prova e che non ne era mai stato utilizzato uno. Quando abbiamo chiesto come potevano essere sicuri che i componenti funzionassero correttamente ci è stato risposto che il modo migliore era di darli ai clienti e che loro stessi avrebbero segnalato se c’erano problemi!

Riassunto

Noi di Speeding Edge siamo arrivati alla conclusione che l’utilizzo dei manicotti di ferrite sia una reazione immotivata, una pezza provvisoria o il risultato di cattive pratiche di progetto anziché dell’utilizzo delle migliori pratiche ingegneristiche. Come fa notare Lee Ritchey il Presidente di Speeding Edge “in 40 anni di progettazione di sistemi per computer ad alta velocità e prodotti di rete non ho mai utilizzato un manicotto di ferrite nel cavo di alimentazione di un dispositivo, sia in PLL che in circuiti analogici, e tutti hanno funzionato in accordo alle specifiche superando i test EMI e ESD. Invece ho determinato sempre quali erano i requisiti del circuito in termini di “oscillazione” e ho progettato il relativo sistema di alimentazione per soddisfare questi requisiti.”

Riferimenti:

1. Ritchey, Lee W. e 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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