Três Faixas de Frequência para o Uso de Miçangas de Ferrite

De todos os componentes usados em eletrônica, há um tipo de componente que gera mais controvérsia e mal-entendidos do que qualquer outro. Esse componente é uma pérola de ferrite. Esses componentes enganosamente simples são apresentados como uma solução para todos os problemas de EMI, como um componente para isolar trilhos de alimentação e como um componente para reconectar terras desconectadas. Incrível que um pequeno componente magnético possa fazer tanto!

Estou sendo sarcástico, obviamente, porque a verdade é que as pérolas de ferrite só são boas para essas coisas algumas vezes, especialmente quando aplicadas em uma fonte de alimentação ou diretamente nos pinos de alimentação de componentes em PCBs de alta velocidade. Ao lidar com esse grupo de aplicações, existem três áreas principais onde as ferrites podem ser aplicadas.

1. Nos pinos de saída da fonte de alimentação
2. Em série com os pinos VDD em ICs digitais
3. Entre dois trilhos de alimentação fornecidos pelo mesmo regulador

Estes são os três usos mais comuns de ferrites em circuitos de alimentação e em cargas. O interessante é que isso reflete o comportamento das ferrites em três possíveis faixas de frequência: DC (ou próximo de DC), frequências médias que se aproximam da ressonância da ferrite e frequências muito altas na ressonância da ferrite ou além.

Tudo Sobre a Impedância de Saída da Fonte de Alimentação

O uso de ferrites nas três situações acima pode não ter uma relação óbvia com a impedância de saída da fonte de alimentação, mas é exatamente isso que a colocação da ferrite pode modificar quando usada conforme descrito acima.

Em geral, é preferível que a impedância de saída de uma fonte de alimentação seja a mais baixa possível para que nenhuma energia seja perdida enquanto é fornecida do circuito de regulação interno para a porta de saída. Quando uma fonte de alimentação precisa fornecer energia a um IC digital com I/Os de comutação rápida, a fonte de alimentação precisa manter baixa impedância até as frequências mais altas possíveis. Esta baixa impedância precisa se estender até a faixa de MHz alta para garantir a integridade da energia.

A colocação de uma ferrite na saída de um circuito de fonte de alimentação para fins de filtragem aumentará significativamente a impedância de saída da fonte de alimentação perto da ressonância da ferrite, como mostrado nas curvas abaixo. Para saber mais sobre isso, assista esta apresentação da OMICRON Lab sobre impedância de saída da fonte de alimentação.

Na imagem acima, a curva azul mostra a impedância de saída de uma fonte de alimentação com a ferrite presente na saída. Embora seja verdade que a ferrite filtra ruídos de alta frequência que podem conduzir através da saída do circuito da fonte de alimentação, ela também cria dois problemas em sistemas de alta velocidade e sistemas RF:

• A ferrite ressoa com os capacitores, levando a um aumento do ruído no trilho de alimentação
• A indutância e resistência adicionais da ferrite podem interferir com o loop de controle do circuito da fonte de alimentação

Se você apenas observar a curva de impedância de uma típica pérola de ferrite, isso deveria ser óbvio. A impedância se aproxima de um pico em frequências médias e torna-se primariamente resistiva. O que mais se esperaria que acontecesse ao colocar uma ferrite na saída de uma fonte de alimentação?

Exemplo de curva de impedância de pérola de ferrite para o número de peça BLM18PG121SN1 da Murata.

Agora que estamos munidos com essa informação, o que acontece nas três situações em que as ferrites são colocadas como mencionado acima?

Resposta Lenta em Altas Frequências

Porque a ferrite torna-se resistiva perto de sua ressonância, ela interfere na capacidade da fonte de alimentação de responder rapidamente quando uma carga demanda energia com uma taxa de variação muito rápida. Podemos inferir isso apenas olhando para a impedância de saída da fonte de alimentação; quando a impedância de saída é alta, é difícil para a fonte de alimentação responder nessa faixa de frequência. Isso levará a maiores flutuações de tensão quando transientes são excitados no PDN para um componente digital. No entanto, esse comportamento é exatamente o que você gostaria se estivesse tentando filtrar qualquer ruído de alta frequência da fonte de alimentação. Em outras palavras, se a fonte de alimentação só precisa fornecer energia DC, e sua carga está sempre operando em DC, então a alta impedância de saída da fonte de alimentação em frequências médias não importa. Se a carga é sempre DC, nunca haverá demandas por corrente em taxas de variação rápida, então não precisamos nos preocupar com o ripple no PDN, e a ferrite fornecerá uma boa função de filtragem. Para saber mais sobre isso, dê uma olhada no trecho de um episódio de podcast com Heidi Barnes da Keysight.

Ruído VDD Sobreposto em Sinais de Saída

Na seção anterior, onde uma ferrite é usada como um componente de filtragem na saída de uma fonte de alimentação e colocada em um pino VDD, ambos contribuem para outro problema observado na saída de I/Os em um componente digital. Quando a ferrite é colocada em um pino VDD, agora está aumentando a impedância de todo o PDN até aquele pino. É essencialmente o mesmo que aumentar a impedância de saída da fonte de alimentação, e o resultado é o mesmo ruído na tensão do PDN. Um exemplo de traço de osciloscópio na instância onde o PDN tem alta impedância é mostrado abaixo. Essa alta impedância pode vir de excesso de indutância ou excesso de resistência; lembre-se de que uma ferrite fornece ambos em diferentes faixas de frequência. Quando a alta impedância interage com uma alta corrente, o produto da impedância e da forma de onda da corrente dá uma forma de onda de tensão.

Exemplo de resultado de medição de ripple na trilha de alimentação para uma PDN com alta impedância, acionada com um sinal de teste de relógio. Saiba mais neste artigo.

Em ambos os casos, seja com o ferrite no pino de saída da fonte de alimentação ou no pino VDD da carga digital, o ruído é então superposto ao nível de tensão para os sinais de saída, que são diretamente fornecidos pelo pino VDD. Este é um exemplo primordial de um problema de integridade de energia, como observado no pino VDD tornando-se um problema de integridade de sinal, e tudo se origina devido a uma desaceleração do tempo de resposta da PDN quando os I/Os tentam puxar grandes correntes através do pino VDD.

Isolamento Entre Trilhas

A colocação de um ferrite como um elemento isolante entre duas trilhas de alimentação fornecidas pelo mesmo regulador segue a topologia mostrada na imagem abaixo. Aqui, temos um único regulador alimentando duas cargas; as trilhas em cada carga são conectadas uma à outra usando um único ferrite, e cada trilha possui sua própria capacitância.

Diagrama de topologia ilustrando a colocação de uma conta de ferrite para isolamento entre duas cargas alimentadas pelo mesmo circuito de alimentação.

A colocação de um ferrite como um elemento isolante entre trilhas tem resultados mistos. Por um lado, colocar o ferrite aumenta a impedância ao longo da conexão, então você esperaria um ruído maior na saída da trilha isolada. No entanto, se a trilha principal excita um transiente, você poderia esperar que o ferrite ajudasse a filtrar esse ruído de alta frequência e impedisse que ele alcançasse a trilha isolada. Então, qual desses resultados realmente ocorre?

A resposta é “depende”. Em particular, depende do seguinte:

1. O espectro de potência requerido pela carga primária
2. O espectro de potência requerido pela carga isolada
3. A frequência de ressonância do ferrite

Isso deve ilustrar por que alguns resultados de medição sobre este assunto são contraditórios; não há uma regra definitiva quanto ao valor da frequência de ressonância do ferrite a ser usado neste caso.

O motivo disso é que o ferrite, conforme colocado na topologia acima, cria uma impedância de transferência, que é uma função da frequência. Portanto, não há uma maneira fácil de prever se o ferrite é “ruim” além de com um cálculo de resposta ao impulso, que deve ser feito em Mathematica, Matlab, ou à mão. Se você não está familiarizado com isso, pode tentar com uma simulação SPICE, ou você pode construir uma placa de teste e medi-la.

• Saiba mais sobre o uso de contas de ferrite em simulação SPICE
• Veja exemplos onde as contas de ferrite falham em isolamento

Quais são as Faixas de Frequência para Ferrites?

Há muita informação apresentada acima, então acho importante vincular o posicionamento do ferrite com sua faixa de frequência operacional apropriada. A tabela abaixo resume esses regimes operacionais onde os ferrites podem ser usados e onde não devem ser usados.

Eu acho que isso nos dá uma boa regra geral para usar contas de ferrite como elementos de filtragem de ruído: se seus circuitos pretendem operar em DC ou apenas em baixas frequências, então provavelmente um ferrite estará bem. Se sua placa está usando digital de alta velocidade, mesmo com SPI simples, você não deve usar o ferrite para tentar remover ruído entre sua fonte de alimentação e suas cargas digitais.

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