Wszystko, co musisz wiedzieć o rdzeniach ferrytowych

_{Wszystko, co warto wiedzieć o rdzeniu ferrytowym}

Jak już wspomniałam w moim poprzednim wpisie na blogu dotyczącym projektów typu PDS, kwestia ich zasilania przez lata była owiana szeregiem nieprawidłowych informacji. Wywołało to dużo zamieszania w kontekście samego projektowania, a spowodowane było głównie sprzecznymi informacjami na temat tego, co w projektowaniu można swobodnie robić, a czego już nie.

Jednym z najbardziej kontrowersyjnych tematów było zastosowanie rdzeni ferrytowych w płytkach drukowanych jako środka służącego do kontrolowania i powstrzymywania emisji zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Istnieje masa sprzecznych doniesień na temat rdzeni ferrytowych i nawet dziś ciężko jest oddzielić informacje rzetelne od tych wyssanych z palca. Obawy budzi również to, że wszelkie nieprawidłowe informacje potrafią szybko zdobywać zaufanie swoich czytelników z uwagi na dużą liczbę dołączonych do nich danych. Mało tego, aby nieco zwiększyć zamieszanie, producenci niektórych układów scalonych w swoich instrukcjach wprost rekomendują stosowanie rdzeni ferrytowych jako środka, który eliminuje zakłócenia elektromagnetyczne.

Aby nieco zmniejszyć więc to zamieszanie, w niniejszym artykule omówione zostaną następujące tematy:

• Jakie jest pochodzenie rdzeni ferrytowych?
• Jak wygląda historia wykorzystywania rdzeni ferrytowych w PCB?
• Dlaczego założono, że korzystanie z rdzeni ferrytowych jest prawidłową praktyką projektowania PCB?
• Co dzieje się, gdy rdzeń ferrytowy zostaje w sposób szeregowy połączony z przewodem zasilającym układu scalonego (IC)?
• Co robić, gdy sprzedawca układów scalonych zaleca stosowanie rdzeni ferrytowych?

W oparciu o przedstawione tutaj wnioski, wskażę w jaki sposób zastosowanie rdzeni ferrytowych łączonych w sposób szeregowy z przewodem zasilającym układu scalonego nie tylko nie zmniejsza emisji EMI, ale w rzeczywistości obniża wydajność naszej płytki drukowanej.

Pochodzenie rdzeni ferrytowych

Dyskusję musimy rozpocząć od stwierdzenia faktu, że rdzenie ferrytowe nie mają nic wspólnego z rdzeniami. Tak naprawdę są to małe induktory. Element, który ludzie zwykli nazywać rdzeniem, jest w istocie toroidem (Toroid to cewka wykonana z izolowanego lub emaliowanego drutu nawiniętego na formę o kształcie pierścienia i wykonaną ze sproszkowanego żelaza. Toroidy są przeważnie wykorzystywane jako induktory w obwodach elektronicznych o niskiej częstotliwości, które to wykazują dużą indukcyjność. Niemal od zawsze wykorzystywane były jako rdzenie transformatorów). Aby zachować jednak spójność, będziemy nazywać owe induktory ferrytowe w taki sposób, w jaki ma to miejsce w całej branży – rdzeniami ferrytowymi.

Rdzenie ferrytowe to elementy wykorzystywane do montażu powierzchniowego, tak jak rezystory czy kondensatory. Z uwagi na to, są one dostępne w rozmiarach podobnych do tychże właśnie komponentów. Typowy schemat rdzenia ferrytowego pokazany został na Rysunku 1. Zwróćmy uwagę na to, że słowo „rdzeń” w jego opisie znalazło się w cudzysłowie. Jest tak, ponieważ w rzeczywistości komponent ten nie ma nic wspólnego z rdzeniem.

_{Rysunek 1. Rdzeń ferrytowy - schemat}

W zakresie swojej struktury, rdzenie ferrytowe wykonane są z materiału ferromagnetycznego, który powszechnie nazywany jest ferrytem. Materiał ten zachowuje się podobnie jak induktor wykonany z drucianej cewki. Atrakcyjność tego elementu polega na tym, że cechuje się on stosunkowo wysokim poziomem indukcyjności, zachowując przy tym niewielkie rozmiary. Zazwyczaj jednak elementy te nie są określane przez swoją indukcyjność, ale poziom impedancji na określonych poziomach częstotliwości. Jak pokazano na Rysunku 2, impedancja rdzenia ferrytowego ma funkcję częstotliwości podobną do induktora o niskim poziomie impedancji przy niższym zakresie częstotliwości. Jak doskonale widać, impedancja rośnie do wysokiego poziomu, a potem nagle gwałtownie spada. 

_{Rysunek 2. Impedancja rdzeni ferrytowych}

Historia wykorzystania rdzeni ferrytowych

Początki stosowania rdzeni ferrytowych w płytkach drukowanych sięgają końca lat 80. XX wieku, kiedy urządzenia oparte na technologii CMOS zaczęły przełączać się na tyle szybko, że tworzyły częstotliwości w paśmie EMI. Technicy zajmujący się EMI umieścili więc rdzenie ferrytowe w przewodach zasilających tychże urządzeń i, jak za dotknięciem zaczarowanej różdżki, emisja EMI znacznie się obniżyła. Działo się tak, ponieważ urządzenia te nie mogły już przełączać się na tyle szybko, by wytwarzać częstotliwości występujące w paśmie EMI. Rdzenie ferrytowe z pozoru okazywały się więc tutaj bardzo pomocne. Nie tylko spełniały bowiem swoją funkcję, ale zmniejszały też poziom zakłóceń wytwarzanych przez komponenty i zapobiegały ich zbyt szybkiej pracy, czyli zbyt szybkiemu przełączaniu się. Gdy rdzenie ferrytowe były wykorzystywane po raz pierwszy, szybkość układów nie była jednak czymś, do czego dążono w pierwszej kolejności i właśnie ten fakt przysłużył się ich dalszej popularyzacji.

Aby lepiej zobrazować sytuację, w której rdzeń ferrytowy zostaje połączony szeregowo z przewodem zasilającym układu scalonego, utworzono obwód przedstawiony na Rysunku 3.

_{Rysunek 3. Układ scalony z rdzeniem ferrytowym}

Częstotliwości powiązane z emitowanymi zakłóceniami elektromagnetycznymi wynoszą od 30 MHz do 1 GHz w przypadku większości dostępnych na rynku produktów. Gdy układ scalony próbował jednak pobierać moc z zasilacza na nieco wyższej częstotliwości, było to uniemożliwione przez impedancję rdzenia ferrytowego. W rezultacie, w całym układzie scalonym nie było wysokich częstotliwości, które byłyby w stanie powodować problemy z zakłóceniami elektromagnetycznymi. Jest to również jeden z dwóch sposobów na kontrolowanie emisji EMI – eliminowanie jej źródła lub pozbycie się anteny. Technika ta sprawdzała się też jedynie w przypadku, gdy zarówno standardowe, jak i specjalizowane układy scalone (ASIC) nie były wykorzystywane w rozwiązaniach o bardzo wysokim poziomie transmisji. Przed wprowadzeniem do użytku układów scalonych o rozmiarze 130 nanometrów, większość produkowanych obwodów działała na tyle wolno, że nie było potrzeby stosowania źródła o niskim poziomie impedancji przy wyższym zakresie częstotliwości. Było to jednak bardziej złym nawykiem przy projektowaniu PCB, aniżeli dobrą i uznaną w branży praktyką inżynierską.

Co rdzenie ferrytowe tak naprawdę robią?

Tym, co tak naprawdę dzieje się po umieszczeniu rdzenia ferrytowego w połączeniu szeregowym ze ścieżką zasilania układu scalonego, jest pogorszenie wydajności układu lub, z perspektywy samego urządzenia, zwiększenie jego impedancji wyjściowej. Należy tutaj pamiętać, że jednym z oczekiwań jest to, żeby źródło zasilania było również źródłem napięcia, co oznacza, że niezależnie od tego, ile prądu ono pobiera, napięcie wyjściowe pozostanie takie samo. Aby prawidłowo funkcjonować, źródła zasilania powinny mieć bardzo niską lub nawet zerową impedancję wyjściową na wszystkich zakresach częstotliwości. Jak wspomniałam już wcześniej, technologia poszła do przodu i co za tym idzie, produkowane dziś układy mają o wiele większą moc. Sprawia to, że wykorzystywanie w nich rdzeni ferrytowych na dobrą sprawę uniemożliwia ich poprawne funkcjonowanie. Powodem tego jest natomiast to, że poziom impedancji wyjściowej jest wtedy stanowczo zbyt wysoki. Proponowanym rozwiązaniem jest w tym przypadku dodanie osobnego kondensatora za induktorem, co pokazane zostało na Rysunku 4.

_{Rysunek 4. Układ scalony z rdzeniem ferrytowym kondensatorem.}

Co prawda rozwiązuje to problem operacyjny, ale przywraca problem emisji EMI. W następnej kolejności, zalecaną metodą wykonania takiego obwodu byłoby zrobienie tego przez wycięcie wysepki na płaszczyźnie VDD. Również nie jest to jednak alternatywa warta jakiejkolwiek uwagi (patrz źródła).

Zwróć uwagę na to, że kondensator na powyższym rysunku oznaczony został jako kondensator obejściowy (ang. bypass capacitor) i dodatkowo zapisany został w cudzysłowie. Powodem tego wyróżnienia jest fakt, że tak naprawdę kondensator ten wcale nie omija szumu, a tak naprawdę służy jako źródło ładunku o wysokiej częstotliwości, dzięki czemu ASIC znów może szybko się przełączać. Oznacza to, że zdecydowanie lepszą nazwą dla takiego kondensatora byłoby „wiadro kulombów”, ponieważ działa on jako lokalne urządzenie do przechowywania pamięci (więcej informacji na temat „wiader kulombów” można znaleźć w moim poprzednim wpisie: Mocne zagranie, czyli jak projektować systemy dostarczania mocy – część 1). 

Dlaczego rdzenie ferrytowe uwzględnia się w informacjach o zastosowaniu innych urządzeń i części?

Należy zwrócić uwagę na to, że w specjalizowanych układach scalonych o dużej prędkości, induktory i kondensator tworzą tzw. filtr dolnoprzepustowy, który zapobiega przedostawaniu się szumu o wysokiej częstotliwości do komponentów od strony podsystemu zasilania. Jest to główny argument za wykorzystaniem rdzeni ferrytowych pojawiający się w informacjach o zastosowaniu innych urządzeń. Dotyczy to zarówno serii z przewodami zasilającymi urządzeń typu PLL (pętla synchronizacji fazy), jak i innych obwodów typu „analogowego”, a w tym serializerów/deserializerów (tzw. SerDes).

Sprzedawcy układów scalonych zalecają dodawanie rdzeni ferrytowych do swoich komponentów z kilku istotnych według nich względów. Po pierwsze, na pewno usłyszysz od nich coś w tym stylu: „Zawsze robiliśmy to w ten sposób i jeśli nie zastosujesz się do tych instrukcji, to nie dajemy gwarancji na to, że obwód będzie działał poprawnie”. Cóż, jeśli padło takie oświadczenie, to zdecydowanie rozsądniej jest zapytać, czy jego pieczołowite przestrzeganie zagwarantuje nam w ogóle w pierwszej kolejności działanie tego obwodu. Odpowiedź często brzmi „nie”. Na pewno nie jest to szczególnie komfortowe w perspektywie pracy z dopiero co wybranym przez siebie układem scalonym.

Drugim powodem dla którego sprzedawcy zalecają wykorzystanie rdzeni ferrytowych jest to, że celem rdzenia jest blokowanie szumów w podsystemie zasilającym, zanim te dostaną się do wrażliwych obwodów. Tak się składa, że w Speeding Edge testowaliśmy to na przykładzie faktycznych obwodów. Owszem, szum jest co prawda blokowany, ale z dużą dozą prawdopodobieństwa wydajność takiego obwodu mocno spadnie, ponieważ moc dostarczana jest do niego w nieprawidłowy sposób. 

Rysunek 5 przedstawia rozkład fali łącza szeregowego SerDes 3.125 Gb/S w przewodzie zasilającym punktu wyjściowego.

_{Rynek 5. Rozkład fali z rdzeniem ferrytowym umieszczonym w przewodzie zasilającym}

Rysunek 6 przedstawia natomiast to samo wyjście, ale pozbawione rdzenia ferrytowego i z przewodem zasilającym podłączonym bezpośrednio do VDD. Jak widać, wykorzystanie rdzenia ferrytowego ma negatywny wpływ na funkcjonowanie całego obwodu.

_{Rysunek 6. Rozkład fali bez rdzenia ferrytowego w przewodzie zasilającym}

Obwód zaprojektowany i pokazany na Rysunku 5 był tym zalecanym przez dostawcę części, bez wcześniejszej weryfikacji tego, czy była to w ogóle właściwa rada. Ukazane tam kształty fali zostały tak naprawdę pobrane bezpośrednio z tablicy ewaluacyjnej dostarczonej przez sprzedawcę. Co tyczy się natomiast blokowania zakłóceń z podsystemu zasilania, to było to de facto bardziej radykalnym zwalczaniem drobnego objawu, niż faktycznym rozwiązaniem problemu. Zakłócenia spowodowane były bowiem tym, że sam podsystem został zwyczajnie źle skonfigurowany.

Kluczowym aspektem dla każdego dostawcy układów scalonych jest zrozumienie ich potrzeb w zakresie zasilania. Obejmuje to zarówno maksymalną deltę I, jaką dany obwód może wymagać od systemu dostarczania zasilania i przy jakich konkretnie częstotliwościach, a także maksymalną dopuszczalną deltę V. Bez tych danych zaprojektowanie działającego i niezawodnego systemu PDS jest czymś praktycznie niemożliwym.

W czasie przeglądania specyfikacji dla komponentu takiego jak wzmacniacz operacyjny możemy zauważyć, że jednym z jej elementów jest tzw. współczynnik odrzucenia zasilania. Jest to miara wielkości, przy której jakiekolwiek zmiany poziomu napięcia źródła zasilania wpływają na wyjściową moc urządzenia. Dokonanie takich pomiarów jest możliwe zarówno dla cyfrowych układów scalonych, jak i tych typu PLL. Pomysł, że układy scalone są po prostu „logiczne” i nie potrzebują stosownego ich dostosowania, pozostał z czasów urządzeń klasy TTL, kiedy istniała tak duża tolerancja dla zmiennych VCC, że nie trzeba było ich nawet uwzględniać w trakcie prac nad projektowaniem układu. 

Tak naprawdę sprzedawca układów scalonych powinien zawsze być w stanie doradzić swoim klientom, jak stworzyć funkcjonalny system zasilania. Za każdym razem, gdy pojawia się zalecenie stosowania rdzeni ferrytowych w przewodzie zasilającym urządzenia, powinniśmy zadać sprzedawcy cztery poniższe pytania:

1. Czy jest jakikolwiek problem, który można rozwiązać, dodając do układu rdzeń ferrytowy?
2. Czy rdzeń ferrytowy naprawdę rozwiązuje ten problem?
3. Czy mogę mieć pewność, że dodanie do układu rdzenia ferrytowego nie spowoduje dodatkowych problemów (patrz Rysunek 5)?
4. Czy skorzystanie z rdzenia ferrytowego jest najlepszym sposobem na rozwiązanie tego problemu?

Z naszego doświadczenia wynika, że po odpowiedziach na pierwsze dwa pytania rdzenie ferrytowe są już z reguły całkowicie eliminowane z projektu. Za każdym razem, gdy spotkaliśmy się z zaleceniami co do zastosowania rdzeni ferrytowych, kontaktowaliśmy się ze sprzedawcą lub też ich autorem, i zadawaliśmy mu te cztery pytania. W ani jednym przypadku udzielone przez nich odpowiedzi nie przybliżyły nas choćby odrobinę do stwierdzenia, że korzystanie z rdzeni ferrytowych w projektach PCB jest dobrym rozwiązaniem.

Jeśli po zadaniu powyższych pytań sprzedawca w dalszym ciągu nalega na wykorzystanie rdzeni ferrytowych, powinniśmy poprosić o udostępnienie obwodu testowego, w którym komponent ten zastosowany jest dokładnie według jego zaleceń. Jeśli nie ma obwodu testowego, możemy zacząć podejrzewać szwindel. W jednym z takich przypadków mieliśmy problemy z działaniem mikroprocesora i poprosiliśmy o udostępnienie obwodu testowego, żeby zobaczyć, na ile spełniał on zalecenia producenta i specyfikację samej części. W odpowiedzi usłyszeliśmy, że obwód testowy dla tego układu nigdy nie powstał. Zapytaliśmy więc, „skąd mamy mieć pewność, że element ten działa w ogóle w sposób prawidłowy?”. Odpowiedź brzmiała: „my dajemy po prostu te części naszym klientom, i to oni informują nas o tym, czy one działają!”.

Podsumowanie

W Speeding Edge jesteśmy zdania, że korzystanie z rdzeni ferrytowych w płytkach drukowanych jest z reguły bardzo nierozsądne i przypomina bardziej chwytanie się brzytwy, a nie porządne projektowanie. Jak słusznie zauważa Lee Ritchey, prezes Speeding Edge: „Przez ponad 40 lat projektowania szybkich systemów komputerowych, a także produktów sieciowych, nigdy nie skorzystałem z rdzenia ferrytowego w przewodzie zasilającym urządzenia. I to niezależnie od tego, czy był to obwód PPL, czy też analogowy. Wszystkie mimo to działały bez zarzutu i pomyślnie przechodziły testy EMI i ESD. Zamiast korzystać z rdzeni ferrytowych, postanowiłem bowiem zgłębić problem i rozwiązać go projektując system dostarczania energii, który spełnia po prostu wszystkie normy.”

Źródła:

1. Ritchey, Lee W. i Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High-Speed PCB and System Design, Volumes 1 and 2.”

Czy chciałbyś dowiedzieć się, w jaki sposób Altium może pomóc Ci przy Twoim kolejnym projekcie PCB?