Modelos de Contas de Ferrite e Impedância de Transferência em uma Simulação de PDN

O uso de ferrites em uma PDN é uma recomendação de design que está cheia de orientações pouco claras e recomendações generalizadas. Se você encontrar uma nota de aplicação ou um design de referência que recomende a colocação de um ferrite em uma PDN, você deve seguir isso no seu design específico, ou deve ignorar isso e focar em adicionar capacitância? E se você estiver usando o ferrite para isolar dois trilhos?

Estas são duas perguntas que queremos responder neste artigo. Pode haver dois usos típicos de ferrites em uma PDN: como um suposto elemento de filtragem conectado diretamente a um pino VDD, ou como um elemento de bloqueio entre dois trilhos diferentes. O primeiro caso deve ser evitado, mas o segundo caso mostrou alguma promessa se o ferrite for escolhido corretamente e se usado no trilho apropriado. Isso é algo que você pode examinar em uma simulação SPICE em uma faixa de frequência intermediária (até cerca de 1 GHz), e é o que vou analisar neste artigo.

Ferrites em uma PDN: Filtragem ou Isolamento?

Já afirmei muitas vezes, e outros projetistas concordarão, que colocar um ferrite em um PDN adicionará indutância a um PDN em frequências intermediárias, o que geralmente é uma má ideia se o PDN precisa suportar componentes que comutam em taxas de borda rápidas (cerca de 1 ns ou menos). Há muitos dados que apoiam essa afirmação, particularmente quando o ferrite está conectado a um trilho que fornece energia para I/Os de alta velocidade. Ainda assim, isso é algo visto em notas de aplicação sobre reguladores de energia geralmente, e o uso de ferrites às vezes é tirado de contexto ou implementado onde não faz sentido.

Dito isso, projetei placas sem incluir um ferrite para isolamento, mesmo que o ferrite fosse recomendado como parte do projeto de referência ou incluído em uma nota de aplicação. Outro autor neste blog apoia essa afirmação. Isso inclui omitir o ferrite como um elemento para isolar um trilho de outro, como a entrada VDD e um trilho de energia PLL.

Este caso de uso de um ferrite como um elemento isolante entre dois trilhos em um PDN é o que queremos examinar em uma simulação SPICE neste artigo. Essencialmente, queremos simular a impedância de transferência entre dois trilhos em um PDN. Leia este artigo para aprender mais sobre impedância de transferência antes de prosseguir, assim como este artigo que examina nossa simulação básica de PDN com múltiplos capacitores. Continuarei com o modelo de simulação básico de PDN, adicionando um trilho e tentando isolá-lo com um ferrite.

Modelo de Simulação com uma Conta de Ferrite

O modelo de simulação para nosso PDN com um ferrite inclui dois trilhos: um trilho de alimentação para I/Os, e um trilho adicional modelando um elemento de comutação mais lento, como um PLL. O trilho do PLL está sendo isolado do trilho de I/O usando uma conta de ferrite (às vezes chamada de chip de ferrite). O objetivo da nossa simulação é examinar a eficácia de um ferrite típico como um elemento isolante entre esses dois trilhos.

O banco de capacitores de desacoplamento consiste em 36 capacitores com vários valores de frequência de ressonância própria (SRF) conforme mostrado em um artigo anterior de simulação de PDN.

O ferrite usado na simulação é o número de peça BLM18PG121SN1 da Murata. Este foi modelado usando um circuito RLC paralelo, como é tipicamente usado em simulações SPICE para representar ferrites. Usando a largura de banda, a resistência na ressonância e a frequência ressonante, o ferrite pode ser modelado tomando R = 150 Ohms, L = 347 nH e 0.3603 pF. Note que esta não é uma representação perfeita do ferrite, mas é o melhor que pode ser feito sem um modelo de simulação preciso para esta peça.

Durante a simulação, vamos modular o valor de R do ferrite apenas para ver seus efeitos na transferência de ruído entre os dois trilhos no modelo de simulação. Com o modelo de simulação de decap anterior e o modelo acima para o ferrite isolante no trilho do PLL, agora temos o que precisamos para realizar uma simulação. Vamos examinar alguns casos para distinguir entre diferentes fontes de ruído:

• A tensão na trilha do PLL quando apenas a trilha de I/O está comutando
• A tensão na trilha do PLL quando o PLL está comutando e o I/O também está comutando

Ambos os casos nos permitem calcular a impedância total da PDN se quisermos. Como temos 2 trilhas, isso seria uma matriz 2x2 relacionando a corrente consumida na porta n à tensão medida na porta m:

O objetivo #1 acima equivale a calcular Z21 na matriz de impedância. Usaremos isso para ajudar a explicar os resultados vistos na simulação. Para examinar a propagação de ruído para a trilha do PLL, compararemos a forma de onda da tensão da trilha do PLL com a forma de onda da tensão da trilha de I/O.

Resultados: Comutação da Trilha de I/O, PLL em Repouso

Os resultados iniciais comparando a tensão na trilha de I/O com a tensão na trilha do PLL são mostrados abaixo. A trilha de I/O está comutando com um tempo de subida de 1 ns a uma frequência de 1 MHz, enquanto a trilha do PLL não está comutando.

As formas de onda no domínio do tempo abaixo parecem sugerir que o ferrite não tem efeito na isolação de ruído, independentemente da resistência paralela efetiva e da indutância do ferrite. Na verdade, aumentar a indutância do ferrite em um fator de 1000 parece não ter efeito na isolação de ruído.

Embora não seja óbvio, há uma transição muito abrupta bem na borda de subida da forma de onda de tensão I/O. Se ampliarmos, podemos ver que essa borda de subida não é um artefato, mas sim está associada a um polo de alta frequência na impedância do trilho I/O (no parâmetro Z11).

Agora podemos ver o efeito do ferrite; há ruído de alta frequência gerado no trilho de I/O devido a um polo no parâmetro Z11 localizado a 631 MHz. Esse mesmo polo existe no espectro de impedância de transferência (Z21), mas acontece de estar em uma impedância muito menor. No entanto, a parte de alta frequência da resposta transiente, como mostrado acima, experimenta um amortecimento maior graças à colocação do ferrite. É claro que o valor padrão R/L no modelo de ferrite é o fator que determina o amortecimento na resposta transiente, assim como é o caso em qualquer outro circuito RLC. Em outras palavras, preferiríamos uma grande resistência e uma baixa indutância, o que vai contra a justificativa para usar um ferrite em uma PDN.

Em contraste, o ruído de baixa frequência parece ser totalmente não afetado pelo ferrite. O ruído de baixa frequência a 2,81 MHz é quase idêntico em ambos os trilhos, então esperaríamos que os parâmetros Z para esses trilhos e o espectro Z21 tivessem os mesmos polos a 2,81 MHz. De fato, é isso que vemos nos espectros de parâmetros Z mostrados abaixo.

Ao comparar a autoimpedância do trilho de I/O (Z11) com os espectros de impedância de transferência (Z21), fica muito claro que há apenas um benefício marginal no polo de 631 MHz e nenhum benefício no polo de 2,81 MHz (este é o polo principal que importa). Embora possa parecer que o ferrite no trilho do PLL é responsável por reduzir o ruído, o capacitor de desvio também reduz o ruído graças ao seu valor de SRF em 1,59 GHz. Os dois juntos atuam de maneira semelhante a um capacitor ESR controlado, proporcionando alta amortecimento e redução de ruído.

Resultados: Comutação do Trilho do PLL, Comutação de I/O

Agora podemos investigar como a comutação no trilho do PLL será afetada pela presença do ferrite. Os resultados da análise transiente abaixo mostram claramente como a ação de comutação no PLL cria grandes distúrbios na tensão do trilho do PLL. As curvas vermelha e verde mostram a tensão do trilho do PLL com e sem um ferrite, respectivamente. Assim que o PLL é ativado após 5 us (curva tracejada azul), vemos que o trilho do PLL com o ferrite exibe picos de tensão enormes. Esses picos não são vistos no mesmo trilho do PLL com o ferrite removido.

Podemos ver claramente que o trilho do PLL fica limpo novamente após removermos o ferrite (veja a curva verde acima). Na verdade, nem mesmo vemos o ruído da seção de I/O! Isso deve ser o golpe final para o ferrite neste design; o capacitor de desacoplamento é o grande redutor de ruído, não o ferrite. Os resultados confirmam que mais capacitância é uma mudança de design favorável em vez de adicionar indutância. Isso também ilustra a mudança de design necessária no trilho de I/O: adicionar alguns pequenos capacitores que visam diretamente o pico de 631 MHz no espectro de impedância da PDN.

Resumo

O que aprendemos com este exercício? Os resultados parecem mistos, fornecendo resultados minimamente aceitáveis para o polo de alta frequência e nenhum resultado para o polo de baixa frequência mais problemático. Há quatro pontos importantes:

1. O ferrite bloqueou algum ruído de alta frequência do trilho de I/O de alcançar o trilho do PLL. Isso foi alcançado porque o polo estava localizado na banda resistiva do ferrite, o que pode ser visto comparando o ruído de I/O medido no trilho de I/O vs. o ruído de I/O medido no trilho do PLL.
2. O capacitor de desvio no trilho do PLL auxilia bastante na isolamento, desde que este capacitor seja escolhido adequadamente (de forma que seu SRF esteja próximo ao polo de alta frequência).
3. O ferrite não fez absolutamente nada para reduzir o ruído de baixa frequência do trilho de I/O de alcançar o trilho do PLL. Se o PLL estivesse operando tão baixo quanto 0,9 V, o ruído de baixa frequência criaria interferência significativa.
4. Quando o elemento do PLL de borda lenta simulado estava comutando, a indutância do ferrite causava picos muito grandes no trilho do PLL.

No geral, parece que o ferrite não foi de muita ajuda onde era necessário. Podemos deduzir que adicionar capacitores escolhidos com diligência proporcionaria os mesmos benefícios que o ferrite sem os problemas adicionais que vêm com o ferrite. A partir da curva de impedância da conta, podemos ver que a conta fornece praticamente zero amortecimento adicional em baixa frequência, então não esperaríamos que o ruído de baixa frequência fosse atenuado. O ruído de baixa frequência pode, em vez disso, ser abordado direcionando-o com um grande capacitor que tenha SRF = 2,81 MHz em ambos os trilhos.

Então, você deve usar um ferrite para isolamento em seu PDN? Tenha cuidado com isso, pois depende da faixa de frequências que você precisa isolar. Além disso, você deve verificar se o ferrite não cria um novo problema de ruído no trilho isolado. Se você acha que precisa usar um ferrite para isolamento de trilho em seu PDN, certifique-se de simular isso primeiro para garantir que o ferrite cumpra o propósito pretendido.

Seja para realizar uma simulação de PDN com um ferrite, ou para modelar comportamentos de energia e sinal mais complexos, você pode avaliar seu design com o pacote SPICE integrado no Altium Designer. Você e sua equipe poderão permanecer produtivos e colaborar de forma eficiente em designs eletrônicos avançados através da plataforma Altium 365™. Tudo o que você precisa para projetar e produzir eletrônicos avançados pode ser encontrado em um único pacote de software.

Apenas arranhamos a superfície do que é possível fazer com o Altium Designer no Altium 365. Comece sua avaliação gratuita do Altium Designer + Altium 365 hoje.