페라이트 비드 사용을 위한 세 가지 주파수 범위

전자 제품에 사용되는 모든 구성 요소 중에서 가장 많은 논란과 오해를 불러일으키는 구성 요소가 있습니다. 그 구성 요소는 페라이트 비드입니다. 이 속임수 같은 구성 요소들은 EMI에 대한 만병통치약으로, 전원 레일을 분리하는 구성 요소로, 그리고 연결이 끊긴 접지를 다시 연결하는 구성 요소로 홍보됩니다. 이 작은 자기 구성 요소 하나가 이렇게 많은 일을 할 수 있다니 놀랍습니다!

물론, 저는 비꼬는 것입니다. 왜냐하면 사실 페라이트 비드는 특히 고속 PCB에서 전원 공급 장치나 구성 요소 전원 핀에 직접 적용될 때, 그리고 일부 경우에만 그러한 일들을 잘 할 수 있기 때문입니다. 이러한 응용 프로그램 그룹을 다룰 때, 페라이트가 적용될 수 있는 세 가지 주요 영역이 있습니다.

1. 전원 공급 장치 출력 핀에
2. 디지털 IC의 VDD 핀과 직렬로
3. 동일한 조절기에 의해 공급되는 두 전원 레일 사이에

이것들은 전원 회로와 부하에서 페라이트가 가장 일반적으로 사용되는 세 가지 경우입니다. 이것이 흥미로운 이유는 페라이트의 세 가지 가능한 주파수 범위에서의 동작을 반영하기 때문입니다: DC(또는 근접 DC), 페라이트의 공진에 접근하는 중간 범위 주파수, 그리고 페라이트의 공진을 넘어서는 매우 높은 주파수입니다.

전부 전원 공급 장치 출력 임피던스에 관한 것입니다

위의 세 가지 상황에서 페라이트의 사용은 전원 공급 장치 출력 임피던스와 명백한 관련이 없을 수 있지만, 바로 이것이 위에서 설명한 대로 페라이트를 사용할 때 수정할 수 있는 것입니다.

일반적으로 전원 공급 장치의 출력 임피던스는 내부 조절 회로에서 출력 포트로 전력이 공급될 때 전력 손실이 없도록 가능한 한 낮아야 합니다. 빠른 스위칭 I/O를 가진 디지털 IC에 전력을 공급해야 하는 전원 공급 장치는 가능한 한 높은 주파수까지 낮은 임피던스를 유지해야 합니다. 이 낮은 임피던스는 전력 무결성을 보장하기 위해 높은 MHz 범위로 확장되어야 합니다.

필터링을 위한 목적으로 전원 공급 장치 회로의 출력에 페라이트를 배치하면 아래 곡선에서 보여주는 것처럼 페라이트 공진 근처에서 전원 공급 장치 출력 임피던스를 상당히 증가시킵니다. 이에 대해 더 알아보려면 OMICRON Lab의 이 프레젠테이션을 시청하세요.

위의 이미지에서, 파란색 곡선은 출력에서 페라이트가 있는 전원 공급 장치의 출력 임피던스를 보여줍니다. 페라이트가 전원 공급 장치 회로의 출력을 통해 전도될 수 있는 고주파 잡음을 필터링하는 것은 사실이지만, 고속 시스템과 RF 시스템에서 두 가지 문제를 일으킵니다:

• 페라이트가 커패시터와 공진하여 전원 레일 잡음을 증가시킵니다
• 페라이트의 추가 인덕턴스와 저항이 전원 공급 회로의 제어 루프를 방해할 수 있습니다

일반적인 페라이트 비드의 임피던스 곡선만 봐도 이는 명백해야 합니다. 임피던스는 중간 주파수에서 절정에 이르고 주로 저항적이 됩니다. 전원 공급 장치의 출력에 페라이트를 배치할 때 무엇을 기대해야 할까요?

무라타의 BLM18PG121SN1 부품 번호에 대한 예시 페라이트 비드 임피던스 곡선.

이 정보를 갖추고 나면, 위에서 언급한 세 가지 상황에서 페라이트를 배치하면 어떤 일이 발생할까요?

고주파에서의 느린 반응

페라이트가 공진 근처에서 저항적이 되므로, 부하가 매우 빠른 에지 속도로 전력을 요구할 때 전원 공급 장치가 빠르게 반응하는 능력에 방해가 됩니다. 전원 공급 장치 출력 임피던스를 보면 이를 추론할 수 있습니다; 출력 임피던스가 높을 때, 해당 주파수 범위에서 전원 공급 장치가 반응하기 어렵습니다. 이는 디지털 구성 요소의 PDN에서 트랜지언트가 활성화될 때 더 큰 전압 변동을 초래할 것입니다.

그러나 이러한 행동은 전원 공급 장치에서 고주파 잡음을 필터링하려는 경우에 정확히 원하는 것입니다. 즉, 전원 공급 장치가 DC 전력만을 공급해야 하고 부하가 항상 DC에서 작동한다면, 중간 주파수에서의 높은 전원 공급 장치 출력 임피던스는 중요하지 않습니다. 부하가 항상 DC라면, 빠른 에지 속도에서의 전류 요구가 결코 없을 것이므로, PDN의 리플에 대해 걱정할 필요가 없고 페라이트는 좋은 필터링 기능을 제공할 것입니다.

이에 대해 더 알아보려면 Keysight의 Heidi Barnes와 함께한 팟캐스트 에피소드에서의 클립을 확인하세요.

출력 신호에 중첩된 VDD 잡음

이전 섹션에서 전원 공급 장치의 출력에 필터링 구성 요소로 사용되고 VDD 핀에 배치된 페라이트는 디지털 구성 요소의 I/O에서 출력되는 또 다른 문제에 기여합니다. 페라이트가 VDD 핀에 배치되면 이제 그 핀까지 이어지는 전체 PDN의 임피던스를 증가시킵니다. 이는 전원 공급 장치 출력 임피던스를 증가시키는 것과 본질적으로 동일하며, 결과는 PDN 전압의 동일한 잡음입니다.

PDN의 임피던스가 높은 경우의 예시 오실로스코프 추적은 아래에 나와 있습니다. 이 높은 임피던스는 과도한 인덕턴스 또는 과도한 저항에서 비롯될 수 있습니다; 다른 주파수 범위에서 페라이트가 둘 다를 제공한다는 것을 기억하세요. 높은 임피던스가 높은 전류와 상호 작용할 때, 임피던스와 전류 파형의 곱은 전압 파형을 제공합니다.

시험 클록 신호로 구동되는 고임피던스를 가진 PDN에 대한 예시 전력 레일 리플 측정 결과. 이 기사에서 더 알아보기.

전원 공급 장치 출력 핀이나 디지털 부하의 VDD 핀에 페라이트를 배치하는 두 경우 모두에서, 노이즈는 VDD 핀에 의해 직접 공급되는 출력 신호의 전압 레벨에 중첩됩니다. 이는 VDD 핀에서 관찰된 전력 무결성 문제가 신호 무결성 문제가 되는 전형적인 예로, I/O가 VDD 핀을 통해 큰 전류를 끌어올려 시도할 때 PDN 응답 시간이 느려지기 때문에 발생합니다.

레일 간의 격리

동일한 조절기에 의해 공급되는 두 전력 레일 사이에 페라이트를 격리 요소로 배치하는 것은 아래 이미지에 표시된 토폴로지를 따릅니다. 여기서 우리는 단일 조절기가 두 부하를 구동하며, 각 부하의 레일은 단일 페라이트를 사용하여 서로 연결되어 있고, 각 레일은 자체 용량을 가지고 있습니다.

동일한 전원 공급 회로에 의해 구동되는 두 부하 사이의 격리를 위한 페라이트 비드 배치를 설명하는 토폴로지 다이어그램.

레일 사이에 페라이트를 격리 요소로 배치하는 것은 혼합된 결과를 가져옵니다. 한편으로는 페라이트를 배치하면 연결을 따라 임피던스가 증가하므로 격리된 레일 출력에서 더 높은 노이즈를 기대할 수 있습니다. 그러나 주 레일이 과도한 전류를 유발하는 경우, 페라이트가 고주파 노이즈를 필터링하여 격리된 레일에 도달하는 것을 방지할 수 있기를 기대할 수 있습니다. 그렇다면 이러한 결과 중 어느 것이 실제로 발생하나요?

답은 "상황에 따라 다릅니다." 특히 다음에 따라 달라집니다:

1. 주 부하에 필요한 전력 스펙트럼
2. 격리된 부하에 필요한 전력 스펙트럼
3. 페라이트의 공진 주파수

이것이 일부 측정 결과가 모순되는 이유를 설명해야 합니다; 이 경우에 사용할 페라이트의 공진 주파수의 가치에 대한 확고한 규칙은 없습니다.

이유는 위의 토폴로지에서 배치된 페라이트가 주파수의 함수인 전달 임피던스를 생성하기 때문입니다. 따라서 페라이트가 "나쁜" 것인지를 예측하는 쉬운 방법은 없으며, 이는 Mathematica, Matlab 또는 수작업으로 충동 응답 계산을 해야만 알 수 있습니다. 이에 익숙하지 않다면, SPICE 시뮬레이션을 시도하거나 테스트 보드를 만들어 측정할 수 있습니다.

• SPICE 시뮬레이션에서 비드 사용에 대해 자세히 알아보기
• 페라이트 비드가 격리에서 실패하는 예시 보기

페라이트의 주파수 범위는 무엇인가요?

위에서 많은 정보를 제공했으므로, 페라이트 배치를 적절한 작동 주파수 범위와 연결하는 것이 중요하다고 생각합니다. 아래 표는 페라이트를 사용할 수 있는 운영 체제와 사용해서는 안 되는 운영 체제를 요약합니다.

이것은 페라이트 비드를 노이즈 필터링 요소로 사용할 때 좋은 경험칙을 제공한다고 생각합니다: 만약 여러분의 회로가 DC에서만 작동하거나 낮은 주파수에서만 작동한다면, 대부분의 경우 페라이트가 괜찮을 것입니다. 여러분의 보드가 고속 디지털을 사용하고 있고, 간단한 SPI라도 있으면, 여러분의 전원 공급 장치와 디지털 부하 사이의 노이즈를 제거하려고 페라이트를 사용해서는 안 됩니다.

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