Положение ферритового кольца

Я изучаю информацию о развязывающих конденсаторах и наткнулся на некоторую информацию о ферритовых бусинах от TI :

Ферритовые бусины — очень удобный инструмент в вашем арсенале схемотехники. Однако они не являются хорошей идеей для всех шин питания цепей. Ферритовые шарики эффективно поглощают высокочастотные переходные процессы, повышая их сопротивление на более высоких частотах. Это делает их очень хорошими для предотвращения попадания шума источника питания в чувствительные участки цепи, однако это также делает их очень плохой идеей для основного цифрового питания.

Когда их использовать:

Используйте их на трассах питания последовательно с секциями аналоговых цепей, такими как композитное видео или PLL. Эти шарики эффективно отключают поток энергии во время переходных процессов с высоким уровнем шума, позволяя потреблять мощность только от развязывающих конденсаторов, расположенных ниже по потоку. Это значительно снижает шум в чувствительных участках цепи.

Как их использовать:

Между двумя конденсаторами для заземления следует использовать ферритовые бусины. Это формирует Pi-фильтр и значительно снижает уровень шума в источнике питания. На практике конденсатор со стороны чипа должен располагаться как можно ближе к шарику питания чипа. Расположение ферритового кольца и входного конденсатора не так важно.

Если нет места для двух конденсаторов для формирования Pi-фильтра, лучше всего удалить входной конденсатор. Конденсатор со стороны чипа всегда должен быть там. Это очень важно. В противном случае ферритовые шарики с увеличенным высокочастотным сопротивлением могут ухудшить ситуацию, а не улучшить ее, поскольку на стороне микросхемы будет локальное накопление энергии, и, следовательно, не будет возможности передать импульсы высокой пиковой мощности на микросхему, в которой она так отчаянно нуждается.

Когда их нельзя использовать:

Вышеуказанные свойства ферритов очень удобны для тех участков схемы, которые потребляют мощность равномерно и постоянно, но те же свойства делают их непригодными для цифровых силовых участков. Цифровые процессоры нуждаются в высоком пиковом токе, потому что большинство внутренних транзисторов, которые переключаются, переключаются на каждом фронте тактового сигнала, все требования возникают одновременно. Ферритовые бусины (по определению) не пропускают через себя энергию с высокими скоростями линейного изменения, требуемыми логикой цифрового процессора. Это то, что делает их идеальными для фильтрации шума в аналоговых источниках питания (таких как PLL).

Поскольку вся потребность в мощности в цифровой системе является мгновенной (высокая частота), а не медленной и постоянной потребностью, ферритовые кольца будут блокировать цифровое питание во время пиков. Теоретически, шунтирующие конденсаторы на процессорной стороне шарика будут обеспечивать пиковый ток, заполняя промежутки, вызванные ферритами, до тех пор, пока они не будут заряжаться после того, как пик закончится, но в действительности импеданс даже самых лучших конденсаторов слишком высок. выше примерно 200 МГц, чтобы обеспечить достаточную пиковую мощность для процессора. В системах без ферритов плоская емкость может помочь заполнить этот пробел, но если используется феррит, он вставляется между плоскостями и контактом питания, поэтому преимущества плоской емкости теряются. Это приведет к большому мгновенному падению напряжения в период, когда процессор больше всего в нем нуждается. вызывая логические ошибки и странное поведение, если не немедленный сбой. Этого можно избежать путем правильного проектирования, если это требуется для вашей системы (например, для снижения электромагнитных помех), однако это выходит за рамки данной заметки.

Я считаю, что вы должны изучить, как выглядит ваш спектр тока переключения. Если в ваших цифровых схемах требуются большие переходные токи, вам не следует использовать в них ферритовую бусину.

В настоящее время я придерживаюсь мнения, что ферритовая бусина полезна в определенных, очень специфических приложениях, но в основном она широко используется в качестве пластыря, когда возникают проблемы, которые должны быть решены путем изучения сети подачи питания.

Хотя было бы неплохо увидеть некоторые графики или другие данные, то, что я прочитал здесь от TI, звучит правдоподобно. Что вы, ребята, думаете об этом?

Не соглашусь со Спехро - правый образ намного лучше, т.е. менее резонансный. Цепь слева увидит «антирезонанс» — на определенной частоте в диапазоне 100 МГц конденсатор 10 мкФ начнет выглядеть как индуктор, в то время как конденсатор 0,1 мкФ по-прежнему будет выглядеть как конденсатор, заставляя их пару вести себя как схема бака LC. На этой частоте эта схема резервуара не будет потреблять или генерировать какой-либо ток, а просто будет колебать его взад и вперед, как жидкость для полоскания рта, и поэтому две крышки вместе будут иметь очень высокий импеданс, что делает их паршивыми для развязки.

В соответствии с очень широким эмпирическим правилом, это плохая идея иметь две керамические крышки на одной шине, которые сильно различаются по емкости, без каких-либо других промежуточных значений. (Например, вы можете поместить 0,1 мкФ и 0,68 мкФ, 2,2 мкФ и 10 мкФ на одну шину, но если у вас только 0,1 мкФ и 10 мкФ, у вас могут возникнуть проблемы.)

На рисунке справа есть феррит между несогласованными конденсаторами, демпфирующий цепь LC с сопротивлением (поскольку ферриты являются резистивными выше 100 МГц, а не индуктивными), и это предотвращает взаимодействие колпачков друг с другом.

Другим решением было бы использовать танталовый или электролитический колпачок для 10 мкФ, потому что его встроенное сопротивление ESR также демпфировало бы цепь бака (но такой колпачок был бы бесполезен для фильтрации высокочастотного шума).

Я получаю все это из действительно полезной заметки по применению Мураты .

Здесь можно найти множество изящных комбинаций ферритов, катушек индуктивности и конденсаторов, используемых для развязки.

Моя плата будет включать в себя удвоители/инверторы напряжения, такие как ADM660, и микроконтроллер, который будет генерировать два противофазных ТТЛ 5 кГц 5 В для управления электромагнитным зеркалом. Когда провод моих наушников касается платы, я слышу звон в наушниках. Так что, думаю, такие шумы будут влиять на другие АЦП, ЦАП, ОУ, CPLD, которые есть на плате. Я подумал, что было бы неплохо поместить ферритовую бусину на каждую линию питания. Кроме того, какой тип ферритовой бусины лучше всего подходит для прямоугольной волны TTL 10 МГц?

Я призываю вас прочитать этот документ. Некоторые из существенных моментов, которые я отметил ниже:

Резюме - вероятно, лучше не использовать ферритовые бусины, потому что они действительно начинают проявлять себя только выше 30 МГц.

По сути, я думаю, что некоторые из проблем, которые вы, возможно, пытаетесь решить, лучше всего оставить на арене «индуктора», в то время как, возможно, квадратную волну 10 МГц (и, что более важно, ее гармоники) можно решить с помощью ферритовых бусин.

Тем не менее, мой общий совет: используйте заземляющие слои, а затем очень хорошую развязку конденсаторов на всех источниках питания микросхем и, если вы можете использовать небольшие резисторы, подающие питание на уязвимые места (возможно, от 1 до 10 Ом). Если это не окажется успешным, я хотел бы знать, почему и, возможно, улучшить заземление и развязку, прежде чем вставлять катушки индуктивности и, конечно же, прежде чем рассматривать ферритовые бусины.

Обе установки могут работать. Что лучше, определяется номиналами конденсаторов, их ESL и сетью подачи питания вниз по течению.

В левой схеме PDN должен обеспечивать путь с низким импедансом на более низких частотах. Это требование для того, чтобы эта установка работала.

Потенциальное преимущество параллельного подключения двух конденсаторов заключается в более низком импедансе мощности в более широком диапазоне (при условии, что 0,1 мкФ и 10 мкФ покрывают разные частотные диапазоны). Насчет пресловутого антирезонанса двух конденсаторов - посмотрите частотные кривые импеданса. Ситуация, когда это происходит, - это когда один конденсатор все еще конденсатор, а другой - катушка индуктивности. Этого не должно быть. Итак, ответ, предоставленный Спехро, также имеет смысл.

Что касается правильной настройки, она также может работать. Но обратите внимание, что C1 является единственным источником питания, когда шарик закрыт, поэтому его ответственность огромна. Левый больший конденсатор может не понадобиться в непосредственной близости (как я думаю, судя по рисунку). Если бусина закрывается рано (скажем, в единицах МГц или десятках МГц), то она должна обеспечивать путь с низким импедансом на частотах в кГц (или единицах МГц), где требования к местоположению ослаблены (поскольку длина волны света составляет порядка десятков метров). на этих частотах). Но это зависит.

Приложение

Ниже приведены некоторые общие соображения относительно ферритовых бусин, которые могут быть интересны.

Рассмотрим для простоты установку только с одним конденсатором. Основная цель второго конденсатора в настройке пи — обеспечить низкое сопротивление мощности на более низких частотах:

Требуемое значение емкости

В заметке Мураты по применению на странице 11 говорится:

Я предполагаю, что способ получения формулы был следующим. Они предположили, что реактивные сопротивления катушки индуктивности и конденсатора равны (Lw=1/cw), рассчитали частоту, выразили Zt через частоту, чтобы получить уравнение. Это не правильно в общем. Во-первых, импеданс конденсатора в общем случае не равен 1/Cw, особенно на высоких частотах, где доминирует ЭСЛ. Во-вторых, импеданс конденсатора должен быть намного (на порядки) меньше, чем импеданс катушки индуктивности, а не просто меньше (в 2 или 3 раза меньше не получится).

Правильным способом было бы сравнить частотно-импедансные характеристики конденсатора и индуктора (в идеале с учетом смещения постоянного тока) и убедиться, что импеданс конденсатора намного меньше, чем импеданс индуктора, где он должен быть . Необходимо не просто какое-то значение емкости. Требуемое значение импеданса конденсатора (на некоторой частоте) можно рассчитать как дельтаВ/ток, где дельтаВ — допустимое колебание напряжения, а ток — амплитуда тока на этой частоте.

Работа ферритовой шайбы

Рассмотрим в качестве примера вот эту бусину BLM03AX241SN1 :

Типичный импеданс сети подачи питания (PDN), видимой на печатной плате с панелями питания/земли, составляет от сотен мОм до единиц Ом. Таким образом, бусина фактически представляет собой открытое соединение (сопротивление ~ 100 Ом), начиная с нескольких МГц.

Это означает, что весь PDN отрезан от чипа. Вся надежда на конденсатор. Таким образом, важность конденсатора , если используется ферритовая шайба, становится первостепенной. Неправильно подобранный конденсатор сделает микросхему неработоспособной. Плохо подобранный байпасный конденсатор не будет такой проблемой, если бусина не используется из-за действия других конденсаторов (параллельно).

ИК падение на низких частотах

Ферритовые бусины для фильтрации мощности обычно конструируются как катушки индуктивности с низкой добротностью для предотвращения паразитного резонанса. Таким образом, сопротивление постоянному току ферритовых колец сделано намеренно высоким. Часто это около 500 мОм или даже несколько Ом. Выберите шарик с соответствующим сопротивлением постоянному току (существуют специальные серии для линий электропередач с относительно низким сопротивлением постоянному току). Убедитесь, что вы можете выдержать падение IR, учитывая ваш постоянный ток (скажем, ток 10 мА при 500 мОм приводит к падению 5 мВ).

Высокие частоты (> 500 МГц)

Индуктор открыт. Импеданс конденсатора, вероятно, будет относительно высоким (~ 500 мОм или даже Ом).

Без бусинки на нас работают другие конденсаторы на плате, а также планарная емкость силовых плоскостей. И все они включены параллельно шунтирующему конденсатору, уменьшающему импеданс PDN. Да, другие конденсаторы могут быть расположены далеко, но планарная индуктивность силовых плоскостей тоже очень мала (ток менее концентрированный, чем при протекании по трассе). Итак, все они имеют некоторый положительный вход, несмотря на индуктивность на пути к ним.

По этой причине не рекомендуется использовать ферритовые кольца в высокочастотных сильноточных цепях (например, цифровых процессорах), поскольку каждые сто мОм дополнительного импеданса PDN могут быть критическими.

Резюме

Ферритовая бусина может быть полезна для эффективной блокировки внешних шумов (или наоборот, шума от микросхемы) в некотором диапазоне частот, обеспечивая при этом подключение по постоянному току (для зарядки байпасной крышки). Буртик может иметь значительное сопротивление постоянному току, вызывающее падение напряжения постоянного тока. Бусинка увеличивает общий импеданс PDN (думаю, на всех частотах), что может быть нежелательно на высоких частотах, где конденсаторы перестают работать. Выбор перепускной крышки становится первостепенным. Всегда используйте кривые импеданс-частота как для конденсатора, так и для катушки индуктивности (а не только значения L и C).

Я бы избегал правостороннего расположения, потому что оно с большей вероятностью приведет к нежелательному резонансному поведению (измеряемому при Vout) на некоторых частотах.

Это может быть полезно.

Я не специалист по фильтрам, но схема справа образует фильтр пи-типа. Я провел симуляцию с помощью LT Spice IV (это бесплатно!), исследуя эти две конфигурации для чего-то, над чем я работаю. Насколько я могу судить, схема справа работает так же хорошо, как и схема слева. имейте в виду, что я не использовал ваши точные значения схемы. Эти устройства хорошо затухают (красная кривая). Зеленый сигнал представляет собой прямоугольную волну +/- 100 мВ при частоте 25 МГц. Мой дроссель: 600 Ом на 100 МГц (1,9 мкГн), конденсаторы 0,1 мкФ и 0,01 мкФ. Немного лучше производительность, когда большая крышка находится ближе всего к источнику шума. Если вы переместите ферритовую бусину так, чтобы она находилась ближе всего к нагрузке, она дает наихудшую производительность, но затухает (синяя кривая).