Trzy zakresy częstotliwości dla zastosowania koralików ferrytowych

Wśród wszystkich komponentów używanych w elektronice jest jeden rodzaj komponentu, który generuje więcej kontrowersji i nieporozumień niż jakikolwiek inny. Tym komponentem jest koralik ferrytowy. Te pozornie proste komponenty są reklamowane jako panaceum na EMI, jako komponent do izolowania szyn zasilających oraz jako komponent do ponownego łączenia odłączonych mas. Niesamowite, że jeden mały magnetyczny komponent może zrobić tyle!

Oczywiście jestem sarkastyczny, ponieważ prawda jest taka, że koraliki ferrytowe są dobre tylko dla tych rzeczy niektóre z czasu, szczególnie gdy są stosowane w zasilaczu lub bezpośrednio na pinach zasilania komponentów w szybkich PCB. Kiedy mamy do czynienia z tą grupą zastosowań, istnieją trzy główne obszary, gdzie mogą być stosowane koraliki ferrytowe.

1. Na pinach wyjściowych zasilacza
2. W szereg z pinami VDD na cyfrowych układach scalonych
3. Między dwoma szynami zasilającymi dostarczanymi przez ten sam regulator

To są trzy najczęstsze zastosowania koralików ferrytowych w obwodach zasilania i na obciążeniach. Co ciekawe, odzwierciedla to zachowanie koralików ferrytowych w trzech możliwych zakresach częstotliwości: DC (lub blisko DC), średnich częstotliwościach zbliżających się do rezonansu ferrytu oraz bardzo wysokich częstotliwościach na rezonansie ferrytu lub poza nim.

Chodzi o impedancję wyjściową zasilacza

Stosowanie koralików ferrytowych w powyższych trzech sytuacjach może nie mieć oczywistego związku z impedancją wyjściową zasilacza, ale to właśnie modyfikacja tej impedancji jest możliwa przy użyciu koralików ferrytowych, jak opisano powyżej.

Generalnie preferuje się, aby impedancja wyjściowa zasilacza była jak najniższa, aby nie tracić mocy, gdy jest dostarczana z wewnętrznych układów regulacji do portu wyjściowego. Gdy zasilacz musi dostarczać energię do cyfrowego układu scalonego z szybkimi przełączającymi I/O, zasilacz musi utrzymywać niską impedancję do jak najwyższych częstotliwości. Ta niska impedancja musi sięgać do wysokiego zakresu MHz, aby zapewnić integralność mocy.

Umieszczenie koralika ferrytowego na wyjściu z obwodu zasilającego w celu filtrowania znacząco zwiększy impedancję wyjściową zasilacza w pobliżu rezonansu ferrytu, jak pokazują poniższe krzywe. Aby dowiedzieć się więcej na ten temat, obejrzyj tę prezentację z OMICRON Lab na temat impedancji wyjściowej zasilacza.

Na powyższym obrazie niebieska krzywa pokazuje impedancję wyjściową zasilacza z obecnym koralikiem ferrytowym. Chociaż prawdą jest, że koralik ferrytowy filtruje wysokoczęstotliwościowe zakłócenia, które mogą przenikać przez wyjście obwodu zasilającego, tworzy to również dwa problemy w szybkich systemach i systemach RF:

• Koralik ferrytowy rezonuje z kondensatorami, prowadząc do zwiększonego szumu szyn zasilających
• Dodatkowa indukcyjność i oporność koralika ferrytowego mogą zakłócać pętlę sterowania obwodu zasilającego

Jeśli spojrzysz na typową krzywą impedancji koralika ferrytowego, powinno to być oczywiste. Impedancja osiąga szczyt w średnich częstotliwościach i staje się głównie rezystancyjna. Co jeszcze można by oczekiwać po umieszczeniu ferrytu na wyjściu zasilacza?

Przykładowa krzywa impedancji koralika ferrytowego dla części o numerze BLM18PG121SN1 od Murata.

Teraz, gdy jesteśmy uzbrojeni w tę wiedzę, co się dzieje w trzech sytuacjach, gdy ferryty są umieszczane jak wyżej opisano?

Wolna reakcja przy wysokich częstotliwościach

Ponieważ ferryt staje się rezystancyjny w pobliżu swojej rezonansu, zakłóca to zdolność zasilacza do szybkiej reakcji, gdy obciążenie wymaga mocy z bardzo szybką szybkością narastania. Możemy wywnioskować to, patrząc na impedancję wyjściową zasilacza; gdy impedancja wyjściowa jest wysoka, trudno jest zasilaczowi reagować w tym zakresie częstotliwości. Doprowadzi to do większych fluktuacji napięcia, gdy na PDN dla komponentu cyfrowego zostaną wzbudzone transjenty. Jednakże, to zachowanie jest dokładnie tym, czego chcielibyśmy, jeśli próbujemy odfiltrować jakikolwiek szum wysokiej częstotliwości z zasilacza. Innymi słowy, jeśli zasilacz musi dostarczać tylko moc DC, a twoje obciążenie zawsze działa w DC, wtedy wysoka impedancja wyjściowa zasilacza przy średnich częstotliwościach nie ma znaczenia. Jeśli obciążenie jest zawsze DC, nigdy nie będzie zapotrzebowania na prąd przy szybkich szybkościach narastania, więc nie musimy martwić się o ripple na PDN, a ferryt zapewni ładną funkcję filtrowania. Aby dowiedzieć się więcej na ten temat, zobacz fragment z odcinka podcastu z Heidi Barnes z Keysight.

Szum VDD nałożony na sygnały wyjściowe

W poprzedniej sekcji, gdzie ferryt jest używany jako komponent filtrujący na wyjściu zasilacza i umieszczony na pinie VDD, oba przyczyniają się do innego problemu obserwowanego na wyjściu z I/O na komponencie cyfrowym. Gdy ferryt jest umieszczony na pinie VDD, zwiększa to impedancję całej PDN prowadzącej do tego pinu. To tak, jakby zwiększyć impedancję wyjściową zasilacza, a rezultat jest taki sam - szum w napięciu PDN. Poniżej pokazano przykładowy ślad oscyloskopu w przypadku, gdy PDN ma wysoką impedancję. Ta wysoka impedancja może pochodzić zarówno z nadmiaru indukcyjności, jak i nadmiaru rezystancji; pamiętaj, że ferryt zapewnia oba w różnych zakresach częstotliwości. Gdy wysoka impedancja wchodzi w interakcję z wysokim prądem, iloczyn impedancji i przebiegu prądowego daje przebieg napięciowy.

Przykładowy wynik pomiaru tętnień szyny zasilającej dla PDN o wysokiej impedancji napędzanej testowym sygnałem zegarowym. Dowiedz się więcej w tym artykule.

W obu przypadkach, zarówno dla dławika ferrytowego na wyjściowym pinie zasilania, jak i pinie VDD cyfrowego obciążenia, szum jest następnie nakładany na poziom napięcia dla sygnałów wyjściowych, które są bezpośrednio zasilane przez pin VDD. Jest to doskonały przykład problemu z integralnością zasilania, obserwowanego na pinie VDD, który staje się problemem integralności sygnału, i wszystko to ma swoje źródło w spowolnieniu czasu reakcji PDN, gdy I/O próbują przepuścić duże prądy przez pin VDD.

Izolacja między szynami

Umieszczenie dławika ferrytowego jako elementu izolującego między dwoma szynami zasilanymi przez ten sam regulator odbywa się zgodnie z topologią pokazaną na poniższym obrazie. Tutaj mamy pojedynczy regulator zasilający dwa obciążenia; szyny na każdym obciążeniu są połączone ze sobą za pomocą pojedynczego dławika, a każda szyna ma własną pojemność.

Diagram topologii ilustrujący umieszczenie koralika ferrytowego dla izolacji między dwoma obciążeniami zasilanymi przez ten sam obwód zasilający.

Umieszczenie dławika ferrytowego jako elementu izolującego między szynami przynosi mieszane rezultaty. Z jednej strony, umieszczenie dławika zwiększa impedancję wzdłuż połączenia, więc można by oczekiwać wyższego szumu na izolowanym wyjściu szyny. Jednakże, jeśli główna szyna wywołuje przejściowe zakłócenia, można by oczekiwać, że dławik pomoże odfiltrować ten wysokoczęstotliwościowy szum i zapobiegnie jego dotarciu do izolowanej szyny. Więc które z tych wyników faktycznie występuje?

Odpowiedź brzmi „to zależy”. W szczególności zależy to od następujących czynników:

1. Spektrum mocy wymagane przez główne obciążenie
2. Spektrum mocy wymagane przez izolowane obciążenie
3. Częstotliwość rezonansowa dławika

To powinno zilustrować, dlaczego niektóre wyniki pomiarów w tej kwestii są sprzeczne; nie ma twardej reguły co do wartości częstotliwości rezonansowej dławika, której należy użyć w tym przypadku.

Powodem tego jest fakt, że dławik umieszczony w powyższej topologii tworzy impedancję transferową, która jest funkcją częstotliwości. Dlatego nie ma łatwego sposobu, aby przewidzieć, czy dławik jest „zły”, inaczej niż za pomocą obliczenia odpowiedzi impulsowej, które musi być wykonane w Mathematica, Matlab, lub ręcznie. Jeśli nie jesteś z tym zaznajomiony, możesz spróbować z symulacją SPICE, lub możesz zbudować płytę testową i zmierzyć ją.

• Dowiedz się więcej o użyciu koralików ferrytowych w symulacji SPICE
• Zobacz przykłady, gdzie koraliki ferrytowe zawodzą w izolacji

Jakie są zakresy częstotliwości dla ferrytów?

Przedstawiono tutaj wiele informacji, więc myślę, że ważne jest powiązanie umieszczenia ferrytu z odpowiednim zakresem częstotliwości pracy. Poniższa tabela podsumowuje te reżimy pracy, gdzie ferryty mogą być używane i gdzie nie powinny być stosowane.

Myślę, że daje nam to dobrą zasadę dotyczącą używania koralików ferrytowych jako elementów filtrujących szumy: jeśli twoje obwody mają pracować na DC lub tylko na niskich częstotliwościach, to najprawdopodobniej ferryt będzie w porządku. Jeśli twoja płyta używa cyfrowych sygnałów wysokiej prędkości, nawet z prostym SPI, nie powinieneś używać ferrytu do próby usunięcia szumów między zasilaniem a twoimi obciążeniami cyfrowymi.

Bez względu na to, czy potrzebujesz zbudować niezawodną elektronikę mocy czy zaawansowane systemy cyfrowe, użyj kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i narzędzi CAD klasy światowej w Altium Designer®. Aby wdrażać współpracę w dzisiejszym środowisku interdyscyplinarnym, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dotknęliśmy tylko powierzchni możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.