Модели ферритовых шайб и передаточный импеданс при моделировании цепей питания

Применение ферритов в цепях питания — это одна из тех рекомендаций, которые характеризуются отсутствием конкретных указаний и чрезмерной обобщенностью. Если вы столкнетесь с инструкцией по применению или типовым решением, в которых рекомендуется оснастить цепь питания ферритом, будете ли вы следовать этой рекомендации в своем проекте или проигнорируете ее, предпочтя добавить конденсатор? А если феррит используется для развязки двух шин?

Именно на эти два вопроса мы хотим дать ответ в этой статье. Обычно в цепях питания ферриты используются в двух режимах: в качестве предположительно фильтрующего элемента, подключенного непосредственно к выводу VDD, или в качестве развязки между двумя разными шинами. Первую ситуацию следует избегать, а вот вторая имеет определенные перспективы, если правильно выбрать феррит и установить его на подходящую шину. Такой режим можно исследовать с помощью имитационного симулятора SPICE в промежуточном диапазоне частот (примерно до 1 ГГц) и далее речь пойдет именно об этом.

Ферритовые шайбы в цепях питания: фильтрация или изоляция?

Я неоднократно утверждал, и с этим согласны другие разработчики, что установка феррита в цепь питания вносит в нее дополнительную индуктивность на промежуточных частотах. Как правило, это плохо, если цепь питания обслуживает компоненты, обрабатывающие сигналы с быстрыми фронтами (порядка 1 нс или менее). Это утверждение подтверждается множеством данных, особенно если феррит установлен на шине, по которой питание поступает на высокоскоростные устройства ввода-вывода. Тем не менее такое решение можно встретить в общих рекомендациях по применению стабилизаторов мощности, причем ферриты иногда предлагается применять вне контекста или в ситуациях, где в этом нет смысла.

Мне доводилось разрабатывать платы, не используя феррит для развязки, даже если его применение было рекомендовано в типовом решении или включено в рекомендации по применению. С этим утверждением согласен и другой автор этого блога. В частности, можно отказаться от использования феррита для развязки двух линий, например входа VDD и шины питания ФАПЧ.

Именно такой случай использования феррита в качестве развязки между двумя шинами питания мы хотим проанализировать в этой статье с помощью SPICE-симуляции. По сути мы хотим смоделировать передаточный импеданс между двумя шинами питания. Прежде чем продолжить чтение, ознакомьтесь с этой статьей, где подробно рассказывается о передаточном импедансе, а также с этой статьей, в которой описывается базовая модель цепи питания с несколькими конденсаторами.Я буду пользоваться базовой имитационной моделью цепи питания, добавив в нее шину и попытавшись изолировать ее при помощи феррита.

Имитационная модель с ферритовой шайбой

Модель нашей схемы питания с ферритом содержит две шины: шину питания для устройств ввода-вывода и дополнительную шину, моделирующую элемент с более медленным переключением, например ФАПЧ. Шины ФАПЧ и ввода-вывода изолированы друг от друга с помощью ферритовой шайбы (иногда называемой ферритовым чипом). Цель нашего моделирования — изучить эффективность применения типичного феррита для развязки этих двух шин.

Банк развязывающих конденсаторов состоит из 36 конденсаторов с различными значениями собственной частоты, как показано в предыдущей статье по моделированию цепей питания.

В модели используется феррит BLM18PG121SN1 от Murata. Модель построена на основе параллельной RLC-цепи, которая обычно используется в SPICE-симуляторах для представления ферритов. Учитывая ширину полосы пропускания, сопротивление при резонансе и резонансную частоту, феррит можно смоделировать, приняв следующие значения: R = 150 Ом, L = 347 нГ и 0,3603 пФ. Заметим, что такое представление феррита не совсем точно, но это максимум того, что можно сделать, не располагая точной имитационной моделью для этого компонента.

В процессе моделирования мы будем изменять сопротивление R феррита, чтобы оценить его влияние на передачу помех между двумя шинами в имитационной модели. Теперь, когда у нас есть ранее созданная имитационная модель с развязывающими конденсаторами и описанная выше модель с изолирующим ферритом на шине ФАПЧ, мы имеем все необходимое для имитационного моделирования. Мы рассмотрим несколько ситуаций для определения различий между разными источниками шума:

• Напряжение на шине ФАПЧ при наличии импульсного сигнала только на шине ввода-вывода
• Напряжение на шине ФАПЧ при наличии импульсных сигналов на шинах ФАПЧ и ввода-вывода

В обоих случаях при необходимости можно рассчитать полную матрицу импедансов цепи питания. Поскольку у нас две шины, это будет матрица размером 2x2 для тока на порте n и напряжения на порте m:

Задача №1 выше сводится к расчету импеданса Z21 в матрице импедансов. Мы воспользуемся этим для объяснения результатов моделирования. Чтобы изучить распространение шума на шине ФАПЧ, мы сравним формы сигнала напряжения на шинах ФАПЧ и ввода-вывода.

Результаты: импульсный сигнал на шине ввода-вывода, шина ФАПЧ в покое

Ниже представлены первоначальные результаты сравнения напряжений на шинах ввода-вывода и ФАПЧ. На шине ввода-вывода присутствует импульсный сигнал с длительностью фронта 1 нс на частоте 1 МГц, а на шине ФАПЧ импульсный сигнал отсутствует.

Приведенные ниже временные диаграммы свидетельствуют о том, что феррит не влияет на уровень помехозащищенности независимо от своих параметров эффективного параллельного сопротивления и индуктивности. Так, увеличение индуктивности феррита в 1000 раз не оказывает никакого влияния на защиту от помех.

Хотя это и не очевидно, но имеется очень резкий переход непосредственно на переднем фронте сигнала напряжения ввода-вывода. Если увеличить масштаб, то можно заметить, что этот передний фронт не является артефактом, а обусловлен высокочастотным полюсом в импедансе шины ввода-вывода (в параметре Z11).

Теперь мы можем заметить влияние феррита: на шине ввода-вывода появляется высокочастотный шум, который вызван полюсом параметра Z11, расположенным на частоте 631 МГц. Этот же полюс существует и в спектре передаточного импеданса (Z21), но он возникает на значительно более низком импедансе. Однако высокочастотная часть переходного процесса, как показано выше, подавляется в большей степени благодаря применению феррита. Очевидно, что, как и в любой другой RLC-цепи, стандартное значение R/L в ферритовой модели определяет затухание переходного процесса. Другими словами, нам было бы желательно иметь большое сопротивление и малую индуктивность, что вступает в противоречие с обоснованиями применения феррита в цепи питания.

На низкочастотные шумы феррит, напротив, не оказывает никакого влияния. На частоте 2,81 МГц низкочастотный шум практически одинаков в обеих шинах, поэтому можно ожидать, что Z-параметры этих шин и спектр Z21 будут иметь одинаковые полюса на частоте 2,81 МГц. Действительно, именно это мы и наблюдаем в приведенных ниже спектрах Z-параметров.

Сравнивая спектры собственного импеданса шины ввода-вывода (Z11) и передаточного импеданса (Z21), вы можете убедиться, что в полюсе 631 МГц наблюдается лишь незначительный выигрыш, а в полюсе 2,81 МГц (это полюс, который играет основную роль) выигрыш вообще отсутствует. Хотя может показаться, что за снижение шума отвечает феррит на шине ФАПЧ, шунтирующий конденсатор также снижает шум благодаря значению собственной частоты 1,59 ГГц. В совокупности они работают подобно конденсатору с управляемым эквивалентным последовательным сопротивлением, обеспечивая высокое затухание и снижение уровня шума.

Результаты: импульсные сигналы на шине ФАПЧ и на шине ввода-вывода

Теперь мы можем изучить влияние феррита на импульсный сигнал шины ФАПЧ. Приведенные ниже результаты анализа переходных процессов наглядно показывают, что импульсный сигнал ФАПЧ создает большие помехи в напряжении на шине ФАПЧ. Красная и зеленая кривые демонстрируют напряжение шины ФАПЧ с ферритом и без него соответственно. Как только ФАПЧ включается по прошествии 5 мкс (синяя пунктирная кривая), мы видим, что на шине ФАПЧ с ферритом возникают большие импульсы напряжения. На той же шине ФАПЧ со снятым ферритом эти импульсы не наблюдаются.

Хорошо видно, что после удаления феррита на шине ФАПЧ шум пропадает (см. зеленую кривую выше). Фактически, мы даже не видим шума от участка ввода-вывода! Это обстоятельство должно окончательно закрыть тему использования феррита в такой конструкции; шум в гораздо большей степени подавляет шунтирующий конденсатор, а не феррит. Полученные результаты подтверждают, что увеличение емкости — более удачное изменение конструкции, чем добавление индуктивности. Кроме того, они свидетельствуют о необходимости изменений в конструкции шины ввода-вывода: нужно добавить несколько небольших конденсаторов, которые будут непосредственно воздействовать на пики на частоте 631 МГц в спектре импеданса цепи питания.

Заключение

Что нам удалось узнать из этого эксперимента? Полученные результаты выглядят неоднозначно — они минимально приемлемы для высокочастотного полюса и отсутствуют для более проблемного низкочастотного полюса. Нужно отметить четыре важных момента:

1. Феррит предотвращает попадание части высокочастотных помех с шины ввода-вывода на шину ФАПЧ. Это достигается благодаря нахождению полюса в резистивном диапазоне феррита, что можно увидеть, сравнивая шумы ввода-вывода на шине ввода-вывода с шумами ввода-вывода на шине ФАПЧ.
2. Шунтирующий конденсатор на шине ФАПЧ значительно повышает помехозащищенность при условии правильного выбора (его собственная частота должна быть близка к частоте высокочастотного полюса).
3. Феррит абсолютно не помогает предотвратить попадание низкочастотного шума с шины ввода-вывода на шину ФАПЧ. Если бы схема ФАПЧ работала с напряжением 0,9 В, то низкочастотный шум создавал бы значительные помехи.
4. При имитации сигнала ФАПЧ с медленным фронтом индуктивность феррита вызывала очень большие выбросы напряжения на шине ФАПЧ.

Таким образом, похоже, что феррит оказался не слишком полезен там, где это было необходимо. Мы можем предположить, что добавление правильно подобранных конденсаторов позволит получить те же преимущества, что и использование феррита, но при этом не создаст проблем, свойственных последнему. По кривой импеданса шайбы видно, что на низкой частоте она создает практически нулевое дополнительное затухание, поэтому ожидать ослабления низкочастотного шума не стоит. Для устранения низкочастотного шума достаточно установить на обеих шинах большой конденсатор с собственной частотой 2,81 МГц.

Итак, стоит ли использовать феррит для развязки цепей питания? Будьте внимательны, так как ответ зависит от диапазона подавляемых частот. Кроме того, следует убедиться, что феррит не создает новых помех на изолированной шине. Если вы считаете, что вам требуется использовать феррит для развязки шин питания, то сначала обязательно выполните моделирование и убедитесь, что феррит выполняет свою задачу.

Если вам нужно провести моделирование цепей питания с ферритом или имитировать более сложные режимы работы схем питания и сигналов, оценить свою конструкцию вы можете с помощью встроенного пакета имитационного моделирования SPICE в Altium Designer®. Платформа Altium 365™ поможет вам и вашим сотрудникам поддерживать высокую продуктивность и эффективно сотрудничать при разработке передовой электроники. Все, что необходимо для проектирования и производства передовой электроники, можно найти в одном программном пакете.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .