Posición de cuentas de ferrita

Deseo utilizar un filtro de fuente de alimentación adicional para mis dispositivos DAC, ADC, CPLD y OpAmp. En esta pregunta, entendí las ubicaciones globales de las cuentas de ferrita. Si entendí correctamente, el cordón de ferrita se debe colocar cerca del dispositivo, independientemente de si es un dispositivo generador de ruido o susceptible al ruido. Por favor, corrígeme si no es un caso general. Vi algunos esquemas de ejemplo donde las cuentas se colocan antes o dentro de los circuitos de la tapa de derivación:

Nota para la foto: la fuente de alimentación es Vin, el chip es Vout

¿Hay una diferencia significativa entre los dos enfoques anteriores?

Estoy investigando información sobre condensadores de desacoplamiento y encontré información sobre cuentas de ferrita de TI :

Las cuentas de ferrita son herramientas muy útiles para tener en su arsenal de diseño de circuitos. Sin embargo, no son una buena idea para todos los rieles de potencia del circuito. Las bolas de ferrita absorben eficazmente los transitorios de alta frecuencia al aumentar su resistencia a frecuencias más altas. Esto los hace muy buenos para evitar que el ruido de la fuente de alimentación llegue a las secciones sensibles del circuito, sin embargo, también los convierte en una muy mala idea para la alimentación digital principal.

Cuando usarlos:

Úselos en trazas de potencia en serie con secciones de circuito analógico como video compuesto o PLL. Estas cuentas cortan efectivamente el flujo de energía en tiempos de transitorios de alto ruido, permitiendo que la energía se extraiga solo de los condensadores de desacoplamiento que están aguas abajo. Esto reduce considerablemente el ruido a las secciones sensibles del circuito.

Cómo usarlos:

Las perlas de ferrita deben usarse entre dos condensadores a tierra. Esto forma un filtro Pi y reduce la cantidad de ruido al suministro considerablemente. En la práctica, el condensador en el lado del chip debe colocarse lo más cerca posible de la bola de suministro del chip. La colocación del cordón de ferrita y la colocación del condensador de entrada no es tan crucial.

Si no hay espacio para que dos condensadores formen un filtro Pi, la siguiente mejor opción es eliminar el condensador de entrada. El condensador del lado del chip siempre debe estar allí. Esto es muy importante. De lo contrario, las perlas de ferrita aumentaron la resistencia de alta frecuencia, lo que puede empeorar las cosas en lugar de mejorar, ya que habrá almacenamiento de energía local en el lado del chip y, por lo tanto, no hay forma de llevar los pulsos de alta potencia al chip que tan desesperadamente necesita.

Cuando no usarlos:

Los rasgos de ferrita anteriores son muy útiles para aquellas secciones de circuito que consumen energía de manera uniforme y consistente, pero los mismos rasgos los hacen inadecuados para las secciones de potencia digital. Los procesadores digitales necesitan una corriente de pico alta, ya que la mayoría de los transistores internos que cambian están cambiando en cada borde del reloj, toda la demanda ocurre a la vez. Las bolas de ferrita (por definición) no permitirán que la energía fluya a través de ellas con las altas tasas de rampa requeridas por la lógica del procesador digital. Esto es lo que los hace perfectos para el filtrado de ruido en suministros analógicos (como PLL).

Como toda la demanda de energía en el sistema digital es instantánea (alta frecuencia), en lugar de ser una demanda lenta y constante, las perlas de ferrita bloquearán el suministro digital durante los picos. Teóricamente, los condensadores de derivación en el lado del procesador del cordón suministrarían la corriente máxima, llenando los huecos causados ​​por las ferritas hasta que se cargaran después de que el pico terminara, pero en realidad, la impedancia de incluso los mejores condensadores es demasiado alta. por encima de aproximadamente 200 MHz para suministrar suficiente potencia máxima para el procesador. En sistemas sin ferritas, la capacitancia plana puede ayudar a llenar este espacio, pero si se usa una ferrita, se inserta entre los planos y el pin de alimentación, por lo que se pierden los beneficios de la capacitancia plana. Esto provocará una gran caída de voltaje instantánea durante el período que el procesador más lo necesita, causando errores lógicos y comportamiento extraño si no se produce un bloqueo inmediato Esto puede evitarse mediante un diseño adecuado si es necesario para su sistema (para la reducción de EMI, por ejemplo), sin embargo, esto está más allá del alcance de esta nota.

Creo que debería examinar cómo se ve su espectro de corriente de conmutación. Si sus circuitos digitales requieren grandes transitorios de corriente, no debe usar un cordón de ferrita en ellos.

Actualmente tengo la mentalidad de que el cordón de ferrita es útil en ciertas aplicaciones muy específicas, pero se usa principalmente como una ayuda de banda cuando surgen problemas que deben resolverse examinando la red de suministro de energía.

Si bien sería bueno ver algunos gráficos u otros datos, lo que leí aquí de TI parece plausible. ¿Qué piensan ustedes al respecto?

Mi placa incluirá inversores / duplicadores de voltaje como ADM660 y un microcontrolador, que generará dos TTls 5VHz 5VHz fuera de fase para conducir el espejo EM. Cuando el cable de mis auriculares toca el tablero, puedo escuchar el sonido de mis auriculares. Entonces, creo que tales ruidos afectarán a otros ADC, DAC, OpAmps, CPLD que están en el tablero. Pensé que poner un cordón de ferrita en cada línea de suministro de energía sería bueno. Además, ¿qué tipo de perla de ferrita funcionaría mejor para TTL de onda cuadrada de 10MHz?

Le insto a que lea este documento. Algunos de los puntos más destacados que he señalado a continuación:

Resumen: probablemente sea mejor no usar perlas de ferrita porque solo comienzan a llegar por encima de 30 MHz.

Básicamente, creo que es mejor dejar algunos de los problemas que podría estar tratando de resolver en el campo del "inductor", mientras que tal vez la onda cuadrada de 10MHz (y lo más importante, sus armónicos) se pueden tratar con perlas de ferrita.

Sin embargo, mi consejo en general es: use planos de tierra seguidos de un muy buen desacoplamiento del condensador en todas las fuentes de alimentación de chips y si puede usar resistencias pequeñas que alimenten la energía a lugares vulnerables (tal vez 1 ohm a 10 ohm). Si esto no tiene éxito, me gustaría saber por qué y posiblemente mejorar la conexión a tierra y el desacoplamiento antes de insertar inductores y ciertamente antes de considerar las perlas de ferrita.

No estoy de acuerdo con Spehro: la imagen correcta es mucho mejor, es decir, menos resonante. El circuito de la izquierda verá "antirresonancia": a una frecuencia determinada en el rango de 100MHz, la tapa de 10uF comenzará a verse como un inductor, mientras que el capacitor de .1uF seguirá pareciéndose a un capacitor, haciendo que el par de ellos se comporte como un circuito de tanque LC. Alrededor de esa frecuencia, este circuito de tanque no se hundirá ni generará ninguna corriente, sino que simplemente lo moverá hacia adelante y hacia atrás como un enjuague bucal, por lo que las dos tapas juntas tendrán una impedancia muy alta, lo que las hará pésimas para desacoplarlas.

Como regla general muy amplia, es una mala idea tener dos tapas de cerámica en el mismo riel que sean muy diferentes en capacitancia, sin algunos otros valores intermedios allí también. (Por ejemplo, puede poner un .1uF y .68uF, 2.2uF y 10uF en el mismo riel, pero si solo tiene .1uF y 10uF podría tener problemas).

La figura a la derecha tiene una ferrita entre los condensadores no coincidentes, amortiguando el circuito del tanque LC con una resistencia (porque las ferritas son resistivas por encima de 100MHz, no inductivas) y esto evita que las tapas interfieran entre sí.

Otra solución sería usar un tantalio o una tapa electrolítica para 10uF, porque su resistencia ESR incorporada también amortiguaría el circuito del tanque (pero esa tapa sería inútil para filtrar el ruido de alta frecuencia).

Todo esto lo obtengo de una nota de aplicación realmente útil de Murata .

Allí se pueden encontrar muchas combinaciones ingeniosas de ferritas, inductores y tapas utilizadas para desacoplar.

Ambas configuraciones pueden funcionar. Lo que es mejor se rige por los valores del capacitor, sus ESL y la red de suministro de energía aguas abajo.

En la configuración de la izquierda, el PDN debe proporcionar una ruta de baja impedancia a frecuencias más bajas. Este es el requisito para que esta configuración funcione.

La ventaja potencial de poner en paralelo dos condensadores es una menor impedancia de potencia en un rango más amplio (asumiendo que 0.1 uF y 10 uF cubren diferentes rangos de frecuencia). En cuanto a la notoria antirresonancia de los dos condensadores, observe las curvas de frecuencia de impedancia. La situación cuando ocurre es cuando un condensador sigue siendo condensador y otro es un inductor. Éste no debería ser el caso. Entonces, la respuesta proporcionada por Spehro también tiene sentido.

En cuanto a la configuración correcta, puede funcionar también. Pero tenga en cuenta que C1 es el único que proporciona energía cuando la cuenta está cerrada, por lo que su responsabilidad es enorme. El condensador izquierdo más grande puede no ser necesario en las proximidades (como supongo en la imagen, supongo). Si el cordón se cierra temprano (por ejemplo, en unidades de MHz o decenas de MHz), entonces debe proporcionar una ruta de baja impedancia a frecuencias de kHz (o unidades de MHz) donde los requisitos de ubicación se relajan (ya que la longitud de onda de la luz es del orden de decenas de metros a estas frecuencias). Pero depende

Apéndice

A continuación se presentan algunas consideraciones generales sobre las cuentas de ferrita que pueden ser interesantes.

Considere por simplicidad la configuración con un solo condensador. El objetivo principal del segundo condensador en la configuración pi es proporcionar baja impedancia a la energía a frecuencias más bajas:

Valor de capacitancia requerido

La nota de aplicación de Murata , página 11, dice

Supongo que la forma en que derivaron la fórmula fue la siguiente. Asumieron la reactancia del inductor y el capacitor igual (Lw = 1 / cw), frecuencia calculada, expresada Zt en términos de frecuencia para obtener la ecuación. Esto no es correcto en general. Primero, la impedancia de un condensador en general no es igual a 1 / Cw, especialmente a altas frecuencias donde domina el ESL. En segundo lugar, la impedancia del condensador debería ser mucho (órdenes de magnitud) más pequeña que la impedancia del inductor, no solo más pequeña (2x o 3x veces más pequeña no funcionaría).

La forma correcta sería comparar las curvas de impedancia-frecuencia del condensador y el inductor (lo que representa la polarización de CC utilizada, idealmente) y asegurarse de que la impedancia del condensador sea mucho menor que la impedancia del inductor donde debe estar . No es simplemente un valor de capacitancia necesario. El valor requerido de la impedancia del condensador (a alguna frecuencia) puede calcularse como deltaV / corriente, donde deltaV es una fluctuación de voltaje permitida y la corriente es la amplitud de corriente en esta frecuencia.

Operación de una cuenta de ferrita

Consideremos como ejemplo este cordón BLM03AX241SN1 :

La impedancia típica de una red de suministro de energía (PDN) vista en PCB con planos de potencia / tierra es de cientos de mOhm a unidades de Ohms. Entonces, el cordón es efectivamente una conexión abierta (resistencia ~ 100 Ohm) a partir de varios MHz.

Significa que todo el PDN está cortado del chip. Toda esperanza es para el condensador. Por lo tanto, la importancia del condensador , si se utiliza un cordón de ferrita, se vuelve primordial.El condensador elegido incorrectamente haría que el chip no funcione. La tapa de derivación mal seleccionada no sería un problema si no se usa una cuenta debido a la acción de otros condensadores (en paralelo).

Caída de IR a bajas frecuencias

Las perlas de ferrita para el filtrado de potencia generalmente están diseñadas como inductores de bajo q para evitar la resonancia parasitaria. Entonces, la resistencia DC de las cuentas de ferrita se hace intencionalmente alta. A menudo es de unos 500 mOhm o incluso varios Ohmios. Seleccione un cordón con una resistencia de CC adecuada (existen series especiales para líneas eléctricas con resistencia de CC relativamente baja). Asegúrese de que puede tolerar la caída de IR dada su corriente de CC (por ejemplo, una corriente de 10 mA a 500 mOhm produce una caída de 5 mV).

Altas frecuencias (> 500 MHz)

El inductor está abierto. La impedancia del condensador probablemente sea relativamente alta (~ 500 mOhm o incluso ohmios).

Sin la cuenta, otros condensadores en el tablero, así como la capacidad plana de los planos de potencia funcionan para nosotros. Y todos están en paralelo al condensador de derivación, disminuyendo la impedancia PDN. Sí, otros condensadores pueden estar ubicados lejos, pero la inductancia plana de los planos de potencia también es muy pequeña (la corriente está menos concentrada que cuando fluye en una traza). Entonces, todos tienen algo positivo, a pesar de la inductancia en el camino hacia ellos.

Esta es la razón, las perlas de ferrita no se recomiendan en circuitos de alta frecuencia y alta corriente (por ejemplo, procesadores digitales), porque cada cien mOhm de impedancia PDN adicional puede ser crítica.

Resumen

Un cordón de ferrita puede ser útil para bloquear eficazmente el ruido externo (o viceversa, el ruido del chip) dentro de un rango de frecuencia, mientras proporciona una conexión de CC (para cargar la tapa de derivación). Un cordón puede tener una resistencia de CC sustancial que produce una caída de voltaje de CC. Un cordón aumenta la impedancia PDN general (supongo, en todas las frecuencias), lo que podría ser desagradable a altas frecuencias, donde los condensadores dejan de funcionar bien. La elección de la tapa de derivación se convierte en primordial. Utilice siempre curvas de impedancia-frecuencia tanto para el condensador como para el inductor (no solo valores simples de L y C).

Evitaría la disposición de la mano derecha porque es más probable que produzca un comportamiento resonante no deseado (medido en Vout) en algunas frecuencias.

Esto puede ser útil.