Три диапазона частот для использования ферритовых бусин

Среди всех компонентов, используемых в электронике, есть один тип компонента, который вызывает больше всего споров и недопонимания. Этим компонентом является ферритовый дроссель. Эти обманчиво простые компоненты рекламируются как панацея от ЭМП, как компонент для изоляции питающих шин и как компонент для восстановления разорванных земляных соединений. Удивительно, что один маленький магнитный компонент может делать столько всего!

Я, конечно, говорю это с иронией, потому что на самом деле ферритовые дроссели хороши для этих целей только иногда, особенно когда они применяются в блоках питания или непосредственно на контактах питания компонентов в высокоскоростных печатных платах. Когда речь идет об этой группе применений, есть три основные области, где могут быть использованы ферриты.

1. На выходных контактах блока питания
2. Последовательно с контактами VDD на цифровых ИС
3. Между двумя питающими шинами, подключенными к одному регулятору

Это три наиболее распространенных способа использования ферритов в цепях питания и на нагрузках. Интересно, что это отражает поведение ферритов в трех возможных диапазонах частот: постоянный ток (или около того), средние частоты, приближающиеся к резонансу феррита, и очень высокие частоты на резонансе феррита или выше.

Все дело в выходном импедансе блока питания

Использование ферритов в вышеупомянутых трех ситуациях может не иметь очевидной связи с выходным импедансом блока питания, но именно это может изменить размещение феррита, когда он используется как описано выше.

В общем, предпочтительно, чтобы выходной импеданс блока питания был как можно ниже, чтобы не терять мощность, когда она поступает от внутренней регулирующей схемы к выходному порту. Когда блок питания должен обеспечивать питание цифровой ИС с быстродействующими входами/выходами, блок питания должен поддерживать низкий импеданс на как можно более высоких частотах. Этот низкий импеданс должен распространяться в диапазон высоких МГц, чтобы обеспечить целостность питания.

Размещение феррита на выходе из цепи блока питания в целях фильтрации значительно увеличивает выходной импеданс блока питания около резонанса феррита, как показано на кривых ниже. Чтобы узнать об этом больше, посмотрите эту презентацию от OMICRON Lab о выходном импедансе блока питания.

На изображении выше синяя кривая показывает выходной импеданс от блока питания с установленным на выходе ферритом. Хотя верно, что феррит фильтрует высокочастотные помехи, которые могут передаваться через выход цепи блока питания, он также создает две проблемы в высокоскоростных системах и системах РЧ:

• Феррит резонирует с конденсаторами, что приводит к увеличению шума на питающей шине
• Дополнительная индуктивность и сопротивление феррита могут мешать контурной петле управления блока питания

Если вы просто посмотрите на типичную кривую импеданса ферритового буса, это должно быть очевидно. Импеданс достигает пика на средних частотах и становится преимущественно резистивным. Что еще можно ожидать, когда феррит устанавливается на выходе блока питания?

Пример кривой импеданса ферритового буса для детали номер BLM18PG121SN1 от Murata.

Теперь, когда мы вооружены этой информацией, что происходит в трех ситуациях, когда ферриты устанавливаются, как указано выше?

Медленный отклик на высоких частотах

Поскольку феррит становится резистивным около своего резонанса, он мешает способности блока питания быстро реагировать, когда нагрузка требует мощности с очень высокой скоростью нарастания. Мы можем сделать этот вывод, просто посмотрев на импеданс выхода блока питания; когда выходной импеданс высок, блоку питания сложно реагировать в этом диапазоне частот. Это приведет к большим колебаниям напряжения, когда на PDN цифрового компонента возбуждаются переходные процессы.

Однако такое поведение именно то, что вам нужно, если вы пытаетесь отфильтровать любой высокочастотный шум от блока питания. Другими словами, если блок питания должен поставлять только постоянный ток, и ваша нагрузка всегда работает на постоянном токе, то высокий выходной импеданс блока питания на средних частотах не имеет значения. Если нагрузка всегда постоянна, потребности в токе с высокой скоростью нарастания никогда не будет, поэтому нам не нужно беспокоиться о пульсациях на PDN, и феррит будет обеспечивать хорошую фильтрацию.

Чтобы узнать больше об этом, посмотрите клип из эпизода подкаста с Хайди Барнс из Keysight.

Шум VDD, наложенный на выходные сигналы

В предыдущем разделе, где феррит используется в качестве фильтрующего компонента на выходе блока питания и устанавливается на контакт VDD, оба способствуют другой проблеме, наблюдаемой на выходе из I/O на цифровом компоненте. Когда феррит устанавливается на контакт VDD, он теперь увеличивает импеданс всей PDN до этого контакта. Это по сути то же самое, что и увеличение выходного импеданса блока питания, и результат тот же - шум в напряжении PDN.

Пример осциллографического следа в случае, когда PDN имеет высокий импеданс, показан ниже. Этот высокий импеданс может быть вызван либо избыточной индуктивностью, либо избыточным сопротивлением; помните, что феррит обеспечивает оба в разных диапазонах частот. Когда высокий импеданс взаимодействует с высоким током, произведение импеданса и токовой волны дает волну напряжения.

Пример результатов измерения пульсаций на шине питания PDN с высоким импедансом при возбуждении тестовым тактовым сигналом. Узнайте больше в этой статье.

В обоих случаях, будь то феррит на выходном контакте источника питания или контакте VDD цифровой нагрузки, шум накладывается на уровень напряжения выходных сигналов, которые напрямую питаются от контакта VDD. Это яркий пример проблемы энергетической целостности, наблюдаемой на контакте VDD, которая превращается в проблему целостности сигнала, и все это происходит из-за замедления времени реакции PDN, когда входы/выходы пытаются протянуть большие токи через контакт VDD.

Изоляция между шинами

Размещение феррита в качестве изолирующего элемента между двумя шинами питания, подключенными к одному регулятору, следует показанной ниже топологии. Здесь у нас есть один регулятор, питающий две нагрузки; шины каждой нагрузки соединены между собой с помощью одного феррита, и каждая шина имеет свою собственную емкость.

Схема топологии, иллюстрирующая размещение ферритового буса для изоляции между двумя нагрузками, питаемыми от одной и той же цепи питания.

Размещение феррита в качестве изолирующего элемента между шинами дает смешанные результаты. С одной стороны, размещение феррита увеличивает импеданс вдоль соединения, поэтому можно ожидать более высокий уровень шума на выходе изолированной шины. Однако, если основная шина возбуждает переходный процесс, можно ожидать, что феррит поможет фильтровать этот высокочастотный шум и предотвратит его достижение до изолированной шины. Так что же на самом деле происходит?

Ответ - "это зависит". В частности, это зависит от следующего:

1. Спектра мощности, требуемого основной нагрузкой
2. Спектра мощности, требуемого изолированной нагрузкой
3. Резонансной частоты феррита

Это должно объяснить, почему некоторые результаты измерений по этому вопросу противоречивы; нет жесткого правила относительно значения резонансной частоты феррита, которое следует использовать в данном случае.

Причина этого в том, что феррит, размещенный в вышеуказанной топологии, создает передаточный импеданс, который является функцией частоты. Поэтому нет простого способа предсказать, является ли феррит "плохим", кроме как с расчетом импульсной характеристики, который должен быть выполнен в Mathematica, Matlab или вручную. Если вы не знакомы с этим, вы можете попробовать с симуляцией SPICE, или вы можете построить тестовую плату и измерить ее.

• Узнайте больше об использовании ферритовых бусин в симуляции SPICE
• Смотрите примеры, где ферритовые бусины не справляются с изоляцией

Каковы диапазоны частот для ферритов?

Выше было представлено много информации, поэтому я считаю важным связать размещение феррита с его соответствующим рабочим диапазоном частот. В таблице ниже приведены эти рабочие режимы, где ферриты могут использоваться и где их использование не рекомендуется.

Я думаю, это дает нам хорошее практическое правило для использования ферритовых бусин в качестве элементов фильтрации шума: если ваши схемы предназначены для работы на постоянном токе или только на низких частотах, то скорее всего феррит будет вполне подходящим. Если ваша плата использует высокоскоростные цифровые сигналы, даже с простым SPI, вы не должны использовать феррит для попытки устранения шума между источником питания и вашими цифровыми нагрузками.

Независимо от того, нужно ли вам строить надежную электронику питания или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде инновационные компании используют платформу Altium 365™ для легкого обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 сегодня.