Modele koralików ferrytowych i impedancja przenoszenia w symulacji PDN

Użycie ferrytów w PDN to jedna z rekomendacji projektowych, która obarczona jest niejasnymi wytycznymi i zbyt ogólnymi zaleceniami. Jeśli natrafisz na notatkę aplikacyjną lub projekt referencyjny zalecający umieszczenie ferrytu w PDN, czy powinieneś podążać za tą radą w swoim konkretnym projekcie, czy też zignorować to i skupić się na dodawaniu pojemności? Co jeśli używasz ferrytu do izolacji dwóch szyn?

To dwie pytania, na które chcemy odpowiedzieć w tym artykule. Można wyróżnić dwa typowe zastosowania ferrytów w PDN: jako domniemany element filtrujący podłączony bezpośrednio do pinu VDD, lub jako element blokujący pomiędzy dwoma różnymi szynami. Pierwszy przypadek powinien być unikany, natomiast drugi przypadek może okazać się obiecujący, jeśli ferryt jest dobrze dobrany i użyty na odpowiedniej szynie. Jest to coś, co można zbadać w symulacji SPICE w średnim zakresie częstotliwości (do około 1 GHz), i to właśnie przyjrzę się w tym artykule.

Ferryty w PDN: Filtracja czy Izolacja?

Wielokrotnie stwierdzałem, i inni projektanci się ze mną zgodzą, że umieszczenie ferrytu w PDN doda indukcyjności do PDN przy średnich częstotliwościach, co zazwyczaj jest złym pomysłem, jeśli PDN musi wspierać komponenty przełączające się z szybkimi zboczami (około 1 ns lub mniej). Wiele danych potwierdza tę tezę, szczególnie gdy ferryt jest podłączony do szyny zasilającej szybkie wejścia/wyjścia. Jednakże, jest to coś, co widzi się w notatkach aplikacyjnych dotyczących regulatorów mocy ogólnie, i użycie ferrytów czasami jest wyrywane z kontekstu lub implementowane tam, gdzie nie ma to sensu.

Mimo to, projektowałem płyty bez włączania ferrytu do izolacji, nawet jeśli ferryt był rekomendowany jako część projektu referencyjnego lub zawarty w notatce aplikacyjnej.Inny autor na tym blogu potwierdza tę tezę. Obejmuje to pominięcie ferrytu jako elementu izolującego jedną szynę od drugiej, taką jak wejście VDD i szyna zasilająca PLL.

Przypadek użycia ferrytu jako elementu izolującego między dwoma szynami w PDN to coś, na co chcemy się przyjrzeć w symulacji SPICE w tym artykule. Zasadniczo chcemy symulować impedancję przenoszenia między dwoma szynami w PDN. Przeczytaj ten artykuł, aby dowiedzieć się więcej o impedancji przenoszenia, zanim przejdziesz dalej, jak również ten artykuł patrząc na naszą podstawową symulację PDN z wieloma kondensatorami. Kontynuuję z podstawowym modelem symulacji PDN, dodając szynę i próbując izolować ją za pomocą ferrytu.

Model symulacji z koralikiem ferrytowym

Model symulacji dla naszego PDN z ferrytem obejmuje dwie szyny: szynę zasilającą dla I/O oraz dodatkową szynę modelującą wolniej przełączający element, taki jak PLL. Szyna PLL jest izolowana od szyny I/O za pomocą koralika ferrytowego (czasami nazywanego chipem ferrytowym). Celem naszej symulacji jest zbadanie skuteczności typowego ferrytu jako elementu izolującego między tymi dwoma szynami.

Bank kondensatorów sprzęgających składa się z 36 kondensatorów o różnych wartościach częstotliwości rezonansowej własnej (SRF), jak pokazano w poprzednim artykule o symulacji PDN.

Ferryt użyty w symulacji to numer części BLM18PG121SN1 od Murata. Został on zamodelowany przy użyciu równoległego obwodu RLC, co jest typowym podejściem w symulacjach SPICE do reprezentowania ferrytów. Wykorzystując pasmo, oporność na rezonansie oraz częstotliwość rezonansową, ferryt może być zamodelowany poprzez przyjęcie R = 150 omów, L = 347 nH i 0,3603 pF. Należy zauważyć, że nie jest to doskonała reprezentacja ferrytu, ale jest to najlepsze, co można zrobić bez dokładnego modelu symulacyjnego dla tej części.

Podczas symulacji będziemy modulować wartość R ferrytu, aby zobaczyć jego wpływ na transfer szumów między dwoma szynami w modelu symulacji. Z wcześniejszym modelem symulacji decap i powyższym modelem dla izolującego ferrytu na szynie PLL, mamy teraz wszystko, co jest potrzebne do przeprowadzenia symulacji. Przeanalizujemy kilka przypadków, aby odróżnić różne źródła szumów:

• Napięcie na szynie PLL, gdy przełącza się tylko szyna I/O
• Napięcie na szynie PLL, gdy przełącza się PLL i I/O

Oba przypadki pozwalają nam obliczyć całkowitą impedancję PDN, jeśli chcemy. Ponieważ mamy 2 szyny, byłaby to macierz 2x2, która odnosi pobór prądu na porcie n do napięcia mierzonego na porcie m:

Cel #1 powyżej polega na obliczeniu Z21 w macierzy impedancji. Wykorzystamy to do wyjaśnienia wyników obserwowanych w symulacji. Aby zbadać propagację szumów do szyny PLL, porównamy przebieg napięcia na szynie PLL z przebiegiem napięcia na szynie I/O.

Wyniki: Przełączanie szyny I/O, PLL Ciche

Początkowe wyniki porównania napięcia na szynie I/O z napięciem na szynie PLL są pokazane poniżej. Szyna I/O przełącza się z czasem narastania 1 ns przy częstotliwości 1 MHz, podczas gdy szyna PLL nie przełącza się.

Poniższe przebiegi czasowe zdają się sugerować, że ferryt nie ma wpływu na izolację od szumów, niezależnie od efektywnego równoległego oporu i indukcyjności ferrytu. W rzeczywistości zwiększenie indukcyjności ferrytu o czynnik 1000 wydaje się nie mieć wpływu na izolację od szumów.

Chociaż to nie jest oczywiste, istnieje bardzo ostra przejściówka dokładnie na rosnącym zboczu przebiegu napięcia I/O. Jeśli przybliżymy, możemy zobaczyć, że to rosnące zbocze nie jest artefaktem, lecz jest związane z wysokoczęstotliwościowym biegunem w impedancji szyny I/O (w parametrze Z11).

Teraz możemy zobaczyć efekt ferrytu; na szynie I/O generowany jest wysokoczęstotliwościowy szum spowodowany biegunem w parametrze Z11, znajdującym się na 631 MHz. Ten sam biegun występuje w spektrum impedancji przenoszenia (Z21), ale ma znacznie niższą impedancję. Jednakże, wysokoczęstotliwościowa część odpowiedzi przejściowej, jak pokazano powyżej, doświadcza większego tłumienia dzięki umieszczeniu ferrytu. Jest jasne, że standardowa wartość R/L w modelu ferrytu jest czynnikiem decydującym o tłumieniu w odpowiedzi przejściowej, tak jak ma to miejsce w każdym innym obwodzie RLC. Innymi słowy, wolelibyśmy dużą rezystancję i niską indukcyjność, co stoi w sprzeczności z uzasadnieniem stosowania ferrytu w PDN.

W przeciwieństwie do tego, szum niskoczęstotliwościowy wydaje się być całkowicie niezakłócony przez ferryt. Szum niskoczęstotliwościowy na poziomie 2,81 MHz jest niemal identyczny na obu szynach, więc spodziewalibyśmy się, że parametry Z dla tych szyn i spektrum Z21 będą miały te same bieguny na 2,81 MHz. Rzeczywiście, to właśnie widzimy w pokazanych poniżej spektrach parametrów Z.

Porównując impedancję własną szyny I/O (Z11) z widmami impedancji przenoszenia (Z21), jest bardzo jasne, że jedynie marginalne korzyści występują przy biegunie 631 MHz i brak korzyści przy biegunie 2,81 MHz (to jest główny biegun, który ma znaczenie). Chociaż może się wydawać, że ferryt na szynie PLL jest odpowiedzialny za redukcję szumów, kondensator omijający również redukuje szumy dzięki swojej wartości SRF na poziomie 1,59 GHz. Oba razem działają podobnie do kontrolowanego kondensatora ESR, zapewniając wysokie tłumienie i redukcję szumów.

Wyniki: Przełączanie szyny PLL, Przełączanie I/O

Teraz możemy zbadać, jak przełączanie na szynie PLL będzie wpływało na obecność ferrytu. Poniższe wyniki analizy przejściowej wyraźnie pokazują, jak działanie przełączania w PLL tworzy ogromne zakłócenia w napięciu szyny PLL. Czerwona i zielona krzywa pokazują napięcie szyny PLL z ferrytem i bez niego, odpowiednio. Jak tylko PLL zostaje włączony po 5 us (niebieska przerywana krzywa), widzimy, że szyna PLL z ferrytem wykazuje ogromne piki napięcia. Te piki nie są widoczne na tej samej szynie PLL po usunięciu ferrytu.

Możemy wyraźnie zobaczyć, że szyna PLL jest ponownie czysta po usunięciu ferrytu (patrz zielona krzywa powyżej). W rzeczywistości nie widzimy nawet szumu z sekcji I/O! To powinno być ostatnim gwoździem do trumny dla ferrytu w tej konstrukcji; kondensator omijający to główny reduktor szumu, a nie ferryt. Wyniki potwierdzają, że dodanie większej pojemności jest korzystną zmianą projektową, a nie dodawanie indukcyjności. Ilustruje to również wymaganą zmianę projektową na szynie I/O: dodanie kilku małych kondensatorów, które bezpośrednio celują w szczyt 631 MHz w widmie impedancji PDN.

Podsumowanie

Co się nauczyliśmy z tego ćwiczenia? Wyniki wydają się mieszane, dając minimalnie akceptowalne rezultaty dla wysokoczęstotliwościowego bieguna i brak rezultatów dla bardziej problematycznego bieguna niskoczęstotliwościowego. Istnieją cztery ważne punkty:

1. Ferryt blokował pewien wysokoczęstotliwościowy szum z szyny I/O przed dotarciem do szyny PLL. Udało się to osiągnąć, ponieważ biegun znajdował się w pasmie rezystancyjnym ferrytu, co można zobaczyć, porównując szum I/O zmierzony na szynie I/O vs. szum I/O zmierzony na szynie PLL.
2. Kondensator omijający na szynie PLL znacznie pomaga w izolacji, pod warunkiem że zostanie właściwie dobrany (tak aby jego częstotliwość rezonansowa SRF była bliska wysokoczęstotliwościowemu biegunowi).
3. Ferryt absolutnie nie pomógł w redukcji niskoczęstotliwościowego szumu z szyny I/O, który docierał do szyny PLL. Gdyby PLL pracowało przy napięciu tak niskim jak 0,9 V, niskoczęstotliwościowy szum stworzyłby znaczące zakłócenia.
4. Gdy symulowany element PLL o wolno zmieniającym się zboczu przełączał się, indukcyjność ferrytu powodowała bardzo duże piki na szynie PLL.

Ogólnie rzecz biorąc, wygląda na to, że ferryt nie był zbyt pomocny tam, gdzie był potrzebny. Możemy wywnioskować, że dodanie starannie dobranych kondensatorów zapewniłoby te same korzyści co ferryt, bez dodatkowych problemów, które niesie ze sobą ferryt. Z krzywej impedancji koralika wynika, że koralik praktycznie nie zapewnia dodatkowego tłumienia na niskich częstotliwościach, więc nie można by oczekiwać, że szum niskoczęstotliwościowy zostanie stłumiony. Szum niskoczęstotliwościowy można zamiast tego zająć się, kierując na niego duży kondensator o SRF = 2,81 MHz na obu szynach.

Czy powinieneś użyć ferrytu do izolacji w swojej PDN? Bądź ostrożny, ponieważ zależy to od zakresu częstotliwości, które musisz izolować. Ponadto, powinieneś sprawdzić, czy ferryt nie tworzy nowego problemu z szumem na izolowanym torze. Jeśli myślisz, że musisz użyć ferrytu do izolacji toru w swojej PDN, upewnij się, że najpierw zasymulujesz to, aby zapewnić, że ferryt spełni zamierzony cel.

Bez względu na to, czy musisz przeprowadzić symulację PDN z ferrytem, czy musisz modelować bardziej złożone zachowania mocy i sygnału, możesz ocenić swój projekt za pomocą wbudowanego pakietu SPICE w Altium Designer®. Ty i Twój zespół będziecie mogli pozostać produktywni i efektywnie współpracować nad zaawansowanymi projektami elektroniki dzięki platformie Altium 365™. Wszystko, czego potrzebujesz do projektowania i produkcji zaawansowanej elektroniki, można znaleźć w jednym pakiecie oprogramowania.

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.