Ba Dải Tần Số Để Sử Dụng Hạt Ferrite

Trong tất cả các linh kiện được sử dụng trong điện tử, có một loại linh kiện tạo ra nhiều tranh cãi và hiểu lầm hơn bất kỳ loại nào khác. Đó chính là hạt ferrite. Những linh kiện đơn giản đánh lừa này được quảng cáo như một giải pháp toàn diện cho EMI, là linh kiện để cô lập các đường ray nguồn, và là linh kiện để kết nối lại các mặt đất bị ngắt kết nối. Thật đáng kinh ngạc khi một linh kiện từ tính nhỏ bé có thể làm được nhiều việc như vậy! Tôi đang mỉa mai, rõ ràng, bởi vì sự thật là hạt ferrite chỉ tốt cho những việc đó một số lần, đặc biệt khi được áp dụng trong nguồn cung cấp điện hoặc trực tiếp trên các chân nguồn của linh kiện trong các PCB tốc độ cao. Khi xử lý nhóm ứng dụng này, có ba lĩnh vực chính nơi hạt ferrite có thể được áp dụng. 1. Trên các chân đầu ra của nguồn cung cấp điện 2. Nối tiếp với các chân VDD trên các IC số 3. Giữa hai đường ray nguồn được cung cấp bởi cùng một bộ điều chỉnh Đây là ba cách sử dụng hạt ferrite phổ biến nhất trong mạch nguồn và trên tải. Điều thú vị về điều này là nó phản ánh hành vi của hạt ferrite trong ba phạm vi tần số có thể: DC (hoặc gần DC), tần số trung bình tiếp cận cộng hưởng của ferrite, và tần số cao rất cao tại hoặc vượt qua cộng hưởng của ferrite.

Điều quan trọng là về Trở kháng Đầu ra của Nguồn Cung Cấp Điện

Việc sử dụng hạt ferrite trong ba tình huống trên có thể không có mối quan hệ rõ ràng với trở kháng đầu ra của nguồn cung cấp điện, nhưng đây chính xác là điều mà việc đặt hạt ferrite có thể thay đổi khi được sử dụng như đã mô tả ở trên. Nói chung, người ta ưu tiên trở kháng đầu ra của nguồn cung cấp điện càng thấp càng tốt để không có sự mất mát năng lượng nào khi nó được cung cấp từ mạch điều chỉnh nội bộ ra cổng đầu ra. Khi một nguồn cung cấp điện cần cung cấp năng lượng cho một IC số với I/O chuyển mạch nhanh, nguồn cung cấp điện cần duy trì trở kháng thấp ở càng nhiều tần số cao càng tốt. Trở kháng thấp này cần được mở rộng vào phạm vi MHz cao để đảm bảo tính toàn vẹn của nguồn điện. Việc đặt một hạt ferrite trên đầu ra từ một mạch nguồn cung cấp điện cho mục đích lọc sẽ làm tăng đáng kể trở kháng đầu ra của nguồn cung cấp điện gần cộng hưởng ferrite, như được hiển thị trong các đường cong dưới đây. Để tìm hiểu thêm về điều này, xem bài thuyết trình này từ OMICRON Lab về trở kháng đầu ra của nguồn cung cấp điện.

Trong hình ảnh trên, đường cong màu xanh hiển thị trở kháng đầu ra từ một nguồn cung cấp điện với hạt ferrite hiện diện trên đầu ra. Mặc dù đúng là hạt ferrite lọc tiếng ồn tần số cao có thể dẫn qua đầu ra của mạch nguồn cung cấp điện, nó cũng tạo ra hai vấn đề trong các hệ thống tốc độ cao và hệ thống RF: 1. Hạt ferrite cộng hưởng với các tụ điện, dẫn đến tăng tiếng ồn đường ray nguồn 2. Độ tự cảm và điện trở bổ sung của hạt ferrite có thể can thiệp vào vòng điều khiển của mạch nguồn cung cấp điện

Nếu bạn chỉ nhìn vào đường cong trở kháng điển hình của một hạt ferrite, điều này sẽ trở nên rõ ràng. Trở kháng tiếp cận một đỉnh ở tần số trung bình và trở nên chủ yếu là điện trở. Điều gì khác bạn nghĩ sẽ xảy ra khi đặt một hạt ferrite vào đầu ra của nguồn cung cấp điện?

Ví dụ về đường cong trở kháng hạt ferrite cho mã số BLM18PG121SN1 từ Murata.

Bây giờ chúng ta đã có thông tin này, điều gì xảy ra trong ba tình huống mà hạt ferrite được đặt như đã nêu ở trên?

Phản ứng Chậm ở Tần số Cao

Vì hạt ferrite trở nên điện trở gần với tần số cộng hưởng của nó, nó can thiệp vào khả năng phản ứng nhanh của nguồn cung cấp điện khi một tải yêu cầu điện với tốc độ biên rất nhanh. Chúng ta có thể suy luận điều này chỉ bằng cách nhìn vào trở kháng đầu ra của nguồn cung cấp điện; khi trở kháng đầu ra cao, nguồn cung cấp điện khó có thể phản ứng trong phạm vi tần số đó. Điều này sẽ dẫn đến sự biến động điện áp lớn hơn khi các xung đột biến được kích hoạt trên PDN cho một thành phần số.

Tuy nhiên, đây chính xác là điều bạn muốn nếu bạn đang cố gắng lọc bất kỳ tiếng ồn tần số cao nào từ nguồn cung cấp điện. Nói cách khác, nếu nguồn cung cấp điện chỉ cần cung cấp điện DC, và tải của bạn luôn hoạt động trong DC, thì trở kháng đầu ra nguồn cung cấp điện cao ở tần số trung bình không quan trọng. Nếu tải luôn là DC, sẽ không bao giờ có yêu cầu dòng điện ở tốc độ biên nhanh, vì vậy chúng ta không cần lo lắng về sự dao động trên PDN, và hạt ferrite sẽ cung cấp một chức năng lọc tốt.

Để tìm hiểu thêm về điều này, hãy xem đoạn clip từ một tập podcast với Heidi Barnes của Keysight.

Tiếng Ồn VDD Đè Lên Tín Hiệu Đầu Ra

Trong phần trước, nơi một hạt ferrite được sử dụng như một thành phần lọc trên đầu ra của nguồn cung cấp điện và đặt lên chân VDD, cả hai đều góp phần vào một vấn đề khác được quan sát trên đầu ra từ các I/O trên một thành phần số. Khi hạt ferrite được đặt lên một chân VDD, nó bây giờ tăng trở kháng của toàn bộ PDN dẫn đến chân đó. Điều này cơ bản giống như tăng trở kháng đầu ra của nguồn cung cấp điện, và kết quả là tiếng ồn giống nhau trong điện áp PDN.

Một ví dụ về dấu vết oscilloscope trong trường hợp PDN có trở kháng cao được hiển thị dưới đây. Trở kháng cao này có thể đến từ sự dư thừa cảm kháng hoặc điện trở kháng; nhớ rằng một hạt ferrite cung cấp cả hai trong các phạm vi tần số khác nhau. Khi trở kháng cao tương tác với dòng điện cao, sản phẩm của trở kháng và dạng sóng dòng điện tạo ra một dạng sóng điện áp.

Kết quả đo đạc dao động nguồn cho mạch PDN có trở kháng cao khi được kích thích bằng tín hiệu đồng hồ thử nghiệm. Tìm hiểu thêm trong bài viết này.

Trong cả hai trường hợp sử dụng lõi ferrite ở chân ra của nguồn cấp hoặc chân VDD của tải số, tiếng ồn sau đó được chồng lên mức điện áp cho các tín hiệu ra, được cung cấp trực tiếp bởi chân VDD. Đây là một ví dụ điển hình về vấn đề tính toàn vẹn nguồn như quan sát được tại chân VDD trở thành vấn đề tính toàn vẹn tín hiệu, và tất cả bắt nguồn từ việc thời gian phản hồi của PDN chậm lại khi các I/O cố gắng rút dòng lớn qua chân VDD.

Cách Ly Giữa Các Đường Ray

Việc đặt một lõi ferrite như một phần tử cách ly giữa hai đường ray nguồn được cung cấp bởi cùng một bộ điều chỉnh tuân theo cấu trúc được hiển thị trong hình dưới đây. Tại đây, chúng ta có một bộ điều chỉnh duy nhất cung cấp năng lượng cho hai tải; các đường ray trên mỗi tải được kết nối với nhau bằng một lõi ferrite duy nhất, và mỗi đường ray có dung lượng riêng của nó.

Sơ đồ cấu trúc minh họa việc đặt hạt ferrite để cách ly giữa hai tải được cung cấp bởi cùng một mạch nguồn.

Việc đặt một lõi ferrite làm phần tử cách ly giữa các đường ray mang lại kết quả không nhất quán. Một mặt, việc đặt lõi ferrite tăng trở kháng dọc theo kết nối, vì vậy bạn có thể mong đợi tiếng ồn cao hơn tại đầu ra của đường ray được cách ly. Tuy nhiên, nếu đường ray chính kích thích một dao động tạm thời, bạn có thể mong đợi rằng lõi ferrite giúp lọc tiếng ồn tần số cao và ngăn nó đến được đường ray được cách ly. Vậy kết quả thực tế là gì?

Câu trả lời là “tùy thuộc.” Cụ thể, nó phụ thuộc vào các yếu tố sau:

1. Phổ công suất cần thiết bởi tải chính
2. Phổ công suất cần thiết bởi tải được cách ly
3. Tần số cộng hưởng của lõi ferrite

Điều này nên minh họa tại sao một số kết quả đo đạc về vấn đề này lại mâu thuẫn; không có quy tắc cứng nhắc nào về giá trị tần số cộng hưởng của lõi ferrite cần sử dụng trong trường hợp này.

Lý do cho điều này là lõi ferrite được đặt trong cấu trúc trên tạo ra trở kháng chuyển mạch, là một chức năng của tần số. Do đó, không có cách dễ dàng nào để dự đoán liệu lõi ferrite có “xấu” hay không ngoại trừ việc tính toán phản ứng xung kích, phải được thực hiện trong Mathematica, Matlab, hoặc bằng tay. Nếu bạn không quen với điều này, bạn có thể thử với một mô phỏng SPICE, hoặc bạn có thể xây dựng một bảng thử nghiệm và đo nó.

• Tìm hiểu thêm về việc sử dụng hạt ferrite trong mô phỏng SPICE
• Xem các ví dụ về hạt ferrite thất bại trong cô lập

Các dải tần số cho Ferrite là gì?

Có rất nhiều thông tin được trình bày ở trên, vì vậy tôi nghĩ rằng việc liên kết vị trí đặt ferrite với dải tần số hoạt động phù hợp của nó là quan trọng. Bảng dưới đây tóm tắt các chế độ hoạt động mà ferrite có thể được sử dụng và không nên sử dụng.

Tôi nghĩ điều này cho chúng ta một quy tắc chung khi sử dụng hạt ferrite làm bộ lọc nhiễu: nếu mạch của bạn dự định hoạt động ở DC hoặc chỉ ở tần số thấp, thì hầu như một hạt ferrite sẽ ổn. Nếu bo mạch của bạn sử dụng số tốc độ cao, ngay cả với SPI đơn giản, bạn không nên sử dụng ferrite để cố gắng loại bỏ nhiễu giữa nguồn cung cấp điện và tải số của bạn.

Dù bạn cần xây dựng điện tử công suất đáng tin cậy hay hệ thống số tiên tiến, hãy sử dụng bộ đầy đủ các tính năng thiết kế PCB và công cụ CAD hàng đầu thế giới trong Altium Designer®. Để thực hiện hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể làm được với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.