Posizione del tallone in ferrite

Desidero utilizzare un filtro di alimentazione supplementare per i miei dispositivi DAC, ADC, CPLD e OpAmp. In questa domanda ho capito le posizioni globali delle perle di ferrite. Se ho capito bene, il tallone di ferrite dovrebbe essere posizionato vicino al dispositivo indipendentemente dal fatto che si tratti di un dispositivo che genera rumore o sensibile al rumore. Per favore, correggimi se non è un caso generale. Ho visto alcuni schemi di esempio in cui le perle sono posizionate prima o all'interno del circuito del cappuccio di bypass:

Nota sull'immagine: la fonte di alimentazione è Vin, Chip è Vout

C'è una differenza significativa tra i due approcci di cui sopra?

Sto cercando informazioni sul disaccoppiamento dei condensatori e ho trovato alcune informazioni sulle perle di ferrite TI :

Le perle di ferrite sono strumenti molto utili da avere nel tuo arsenale di progettazione di circuiti. Tuttavia, non sono una buona idea per tutte le barre di alimentazione del circuito. Le perle di ferrite assorbono efficacemente i transitori ad alta frequenza aumentando la loro resistenza a frequenze più elevate. Ciò li rende molto bravi a prevenire il rumore dell'alimentazione proveniente dalle sezioni sensibili del circuito, tuttavia, li rende anche una pessima idea per l'alimentazione digitale principale.

Quando usarli:

Usali su tracce di potenza in serie con sezioni di circuiti analogici come video composito o PLL. Queste sfere interrompono efficacemente il flusso di potenza in periodi di transitori ad alto rumore, consentendo di attingere l'energia solo dai condensatori di disaccoppiamento che sono a valle. Ciò riduce considerevolmente il rumore alle sezioni del circuito sensibili.

Come usarli:

Le sfere di ferrite devono essere utilizzate tra due condensatori a terra. Ciò forma un filtro Pi e riduce considerevolmente la quantità di rumore alla fornitura. In pratica, il condensatore sul lato del chip deve essere posizionato il più vicino possibile alla sfera di alimentazione del chip. Il posizionamento del tallone di ferrite e il posizionamento del condensatore di ingresso non sono cruciali.

Se non c'è spazio per due condensatori per formare un filtro Pi, la cosa migliore è eliminare il condensatore di ingresso. Il condensatore lato chip dovrebbe essere sempre lì. Questo è molto importante. Altrimenti i granuli di ferrite aumentano la resistenza alle alte frequenze potrebbe peggiorare le cose anziché migliorarle poiché ci sarà accumulo di energia locale sul lato del chip e quindi nessun modo per ottenere gli impulsi di alta potenza di picco sul chip di cui ha così disperatamente bisogno.

Quando non usarli:

I tratti di ferrite sopra sono molto utili per quelle sezioni di circuito che assorbono energia in modo uniforme e coerente, ma gli stessi tratti li rendono inadatti per le sezioni di potenza digitale. I processori digitali necessitano di un'elevata corrente di picco, poiché la maggior parte dei transistor interni che commutano si stanno accendendo su ciascun fronte di clock, tutta la domanda si verifica contemporaneamente. Le perle di ferrite (per definizione) non consentiranno all'energia di fluire attraverso di esse con le alte velocità di rampa richieste dalla logica del processore digitale. Questo è ciò che li rende perfetti per il filtro del rumore su alimentatori analogici (come PLL).

Poiché tutta la richiesta di energia nel sistema digitale è istantanea (alta frequenza), anziché essere una domanda lenta e costante, le sfere di ferrite bloccano la fornitura digitale durante i picchi. Teoricamente, i condensatori di bypass sul lato processore del tallone fornirebbero la corrente di picco, riempiendo gli spazi vuoti causati dalle ferriti fino a quando non sono stati caricati dopo il picco, ma in realtà l'impedenza anche dei migliori condensatori è troppo alta sopra circa 200 MHz per fornire abbastanza potenza di picco per il processore. Nei sistemi senza ferrite, la capacità planare può aiutare a colmare questa lacuna, ma se viene utilizzata una ferrite, viene inserita tra i piani e il pin di alimentazione, quindi i vantaggi della capacità planare vengono persi. Ciò causerà una grande caduta di tensione istantanea durante il periodo in cui il processore ne ha maggiormente bisogno, causando errori logici e comportamenti strani se non un crash immediato. Ciò può essere evitato con una progettazione adeguata, se necessario per il proprio sistema (ad esempio per la riduzione EMI), tuttavia ciò non rientra nell'ambito di questa nota.

Credo che dovresti esaminare l'aspetto del tuo attuale spettro di commutazione. Se i circuiti digitali richiedono transitori di corrente di grandi dimensioni, non è necessario utilizzare un tallone di ferrite su di essi.

Sono attualmente dell'opinione che il tallone di ferrite sia utile in determinate applicazioni molto specifiche, ma è principalmente usato liberamente come cerotto quando sorgono problemi che dovrebbero essere risolti esaminando la rete di erogazione di energia.

Mentre sarebbe bello vedere alcuni grafici o altri dati, ciò che ho letto qui da TI sembra plausibile. Che cosa ne pensate a riguardo?

La mia scheda includerà duplicatori / inverter di tensione come ADM660 e un microcontrollore, che genererà due TTl fuori fase 5kHz 5V per pilotare lo specchio EM. Quando il filo delle mie cuffie tocca la scheda, riesco a sentire il suono delle cuffie. Quindi, penso che tali rumori influiranno su altri ADC, DAC, OpAmps, CPLD presenti sul tabellone. Ho pensato che mettere un cordone di ferrite su ogni linea di alimentazione avrebbe fatto bene. Inoltre, quale tipo di tallone di ferrite funzionerebbe meglio con TTL a onda quadra a 10 MHz?

Vi esorto a leggere questo documento. Alcuni dei punti salienti che ho notato di seguito: -

Riepilogo: probabilmente è meglio non usare le perle di ferrite perché iniziano davvero a raggiungere i 30 MHz.

Fondamentalmente penso che alcuni dei problemi che potresti provare a risolvere siano meglio lasciati nell'arena "induttore", mentre forse l'onda quadra a 10 MHz (e, soprattutto, le sue armoniche) possono essere affrontate usando sfere di ferrite.

Tuttavia, il mio consiglio in generale è: utilizzare i piani di massa seguiti da un ottimo disaccoppiamento dei condensatori su tutti gli alimentatori di chip e se è possibile utilizzare piccoli resistori che alimentano la potenza in luoghi vulnerabili (forse da 1 ohm a 10 ohm). Se questo non dovesse avere successo, vorrei sapere perché e possibilmente migliorare la messa a terra e il disaccoppiamento prima di inserire gli induttori e certamente prima di considerare le sfere di ferrite.

Non sono d'accordo con Spehro: l'immagine giusta è molto migliore, cioè meno risonante. Il circuito a sinistra vedrà "antiresonanza" - Ad una certa frequenza nella gamma di 100 MHz, il cappuccio 10uF inizierà a sembrare un induttore, mentre il condensatore .1uF sembrerà comunque un condensatore, facendo si che la coppia si comporti come un circuito di serbatoio LC. Attorno a quella frequenza, questo circuito del serbatoio non affonderà né genererà alcuna corrente, ma piuttosto lo farà avanzare avanti e indietro come un tale colluttorio, e quindi i due tappi avranno un'impedenza molto elevata, rendendoli pessimi per il disaccoppiamento.

Come regola empirica molto ampia, è una cattiva idea avere due ceramiche tappi in sulla stessa guida che sono ampiamente diversi in termini di capacità, senza altri valori intermedi anche lì. (Ad esempio, puoi mettere un .1uF e .68uF, 2.2uF e 10uF tutti sullo stesso binario, ma se hai solo .1uF e 10uF potresti avere problemi.)

La figura a destra ha una ferrite tra i condensatori non corrispondenti, smorzando il circuito del serbatoio LC con una resistenza (perché le ferriti sono resistive sopra i 100 MHz, non induttive) e questo impedisce ai tappi di interferire tra loro.

Un'altra soluzione sarebbe quella di utilizzare un tappo di tantalio o elettrolitico per il 10uF, perché la sua resistenza ESR integrata avrebbe smorzato anche il circuito del serbatoio (ma un tale tappo sarebbe inutile per filtrare il rumore ad alta frequenza).

Ricevo tutto da una nota applicativa davvero utile di Murata .

Molte combinazioni eleganti di ferriti, induttori e tappi utilizzati per il disaccoppiamento sono disponibili qui.

Entrambe le configurazioni potrebbero funzionare. Ciò che è meglio è governato dai valori dei condensatori, dai loro ESL e dalla rete di erogazione di energia a valle.

Nella configurazione a sinistra, il PDN dovrebbe fornire un percorso a bassa impedenza a frequenze più basse. Questo è il requisito affinché questa configurazione funzioni.

Il potenziale vantaggio di mettere in parallelo due condensatori è la minore impedenza di potenza in un intervallo più ampio (supponendo che 0,1 uF e 10 uF coprano intervalli di frequenza diversi). Per quanto riguarda la famigerata anti-risonanza dei due condensatori, guarda le curve di frequenza dell'impedenza. La situazione in cui accade è quando un condensatore è ancora condensatore e un altro è un induttore. Questo non dovrebbe essere il caso. Quindi, anche la risposta fornita da Spehro ha un senso.

Per quanto riguarda la corretta installazione, potrebbe funzionare anche. Ma nota che C1 è l'unico a fornire energia quando il tallone è chiuso, quindi la sua responsabilità è enorme. Il condensatore più grande sinistro potrebbe non essere necessario nelle immediate vicinanze (come ipotizzato dalla foto, immagino). Se il tallone si chiude presto (diciamo in unità di MHz o decine di MHz), allora dovrebbe fornire un percorso a bassa impedenza alle frequenze kHz (o unità di MHz) in cui i requisiti di posizione sono rilassati (poiché la lunghezza d'onda della luce è dell'ordine di decine di metri a queste frequenze). Ma dipende.

Appendice

Di seguito sono riportate alcune considerazioni generali sulle perle di ferrite che potrebbero essere interessanti.

Considerare per semplicità l'installazione con un solo condensatore. Lo scopo principale del secondo condensatore nell'impostazione pi è quello di fornire una bassa impedenza all'alimentazione a frequenze più basse:

Valore di capacità richiesto

La nota applicativa di Murata , pagina 11, dice

Immagino che il modo in cui derivava la formula fosse il seguente. Hanno assunto la reattanza dell'induttore e del condensatore uguale (Lw = 1 / cw), frequenza calcolata, espressa Zt in termini di frequenza per ottenere l'equazione. Questo non è corretto in generale. Innanzitutto, l'impedenza di un condensatore in generale non è uguale a 1 / Cw, specialmente alle alte frequenze in cui ESL domina. In secondo luogo, l'impedenza del condensatore dovrebbe essere molto più piccola (ordini di grandezza) dell'impedenza dell'induttore, non solo più piccola (2x o 3 volte più piccola non funzionerebbe).

Il modo corretto sarebbe quello di confrontare le curve di impedenza-frequenza del condensatore e dell'induttore (tenendo conto della polarizzazione DC utilizzata, idealmente) e di assicurarsi che l'impedenza del condensatore sia molto più piccola dell'impedenza dell'induttore dove deve essere . Non è semplicemente necessario un certo valore di capacità. Il valore richiesto dell'impedenza del condensatore (a una certa frequenza) può essere calcolato come deltaV / corrente, dove deltaV è una fluttuazione di tensione ammissibile e la corrente è l'ampiezza corrente a questa frequenza.

Funzionamento di una perla di ferrite

Consideriamo ad esempio questo tallone BLM03AX241SN1 :

L'impedenza tipica di una rete di erogazione di potenza (PDN) vista nel PCB con piani di potenza / terra va da centinaia di mOhm a unità di Ohm. Quindi il tallone è effettivamente una connessione aperta (resistenza ~ 100 Ohm) a partire da diversi MHz.

Significa che l'intero PDN viene tagliato dal chip. Tutta la speranza è per il condensatore. Pertanto, l'importanza del condensatore , se viene utilizzata una perlina di ferrite, diventa fondamentale.Il condensatore scelto in modo non corretto renderebbe inutilizzabile il chip. Il cappuccio di bypass selezionato in modo errato non sarebbe un tale problema se non si utilizza un cordone a causa dell'azione di altri condensatori (in parallelo).

Caduta IR alle basse frequenze

Le perle di ferrite per il filtraggio di potenza sono generalmente progettate come induttori a basso q a per prevenire la risonanza parassitaria. Quindi, la resistenza CC delle perle di ferrite è resa intenzionalmente alta. Spesso sono circa 500 mOhm o addirittura diversi Ohm. Selezionare un cordone con una resistenza CC appropriata (esistono serie speciali per linee di alimentazione con resistenza CC relativamente bassa). Assicurati di poter tollerare la caduta IR data la tua corrente CC (diciamo, una corrente di 10 mA a 500 mOhm produce una caduta di 5 mV).

Alte frequenze (> 500 MHz)

L'induttore è aperto. L'impedenza del condensatore sarebbe probabilmente relativamente elevata (~ 500 mOhm o addirittura Ohm).

Senza il tallone, altri condensatori sulla scheda, nonché la capacità planare degli aerei di potenza funzionano per noi. E sono tutti in parallelo al condensatore di bypass che diminuisce l'impedenza PDN. Sì, altri condensatori possono essere situati molto lontano, ma anche l'induttanza planare dei piani di potenza è molto piccola (la corrente è meno concentrata rispetto a quando scorre in una traccia). Quindi, tutti hanno qualche input positivo, nonostante l'induttanza sulla strada per loro.

Questo è il motivo per cui le microsfere di ferrite non sono raccomandate nei circuiti ad alta frequenza e alta corrente (ad es. Processori digitali), poiché ogni cento mOhm di impedenza PDN aggiuntiva possono essere critici.

Sommario

Un cordone di ferrite può essere utile per bloccare efficacemente il rumore esterno (o viceversa, il rumore proveniente dal chip) con un certo intervallo di frequenza, fornendo al contempo una connessione CC (per caricare il cappuccio di bypass). Un tallone può presentare una sostanziale resistenza CC che produce una caduta di tensione CC. Un cordone aumenta l'impedenza PDN complessiva (immagino, a tutte le frequenze), che potrebbe non essere gradita alle alte frequenze, dove i condensatori smettono di funzionare bene. La scelta del cappuccio di bypass diventa fondamentale. Utilizzare sempre curve di impedenza-frequenza sia per il condensatore che per l'induttore (non solo valori semplici di L e C).

Eviterei la disposizione della mano destra perché è più probabile che determini un comportamento risonante indesiderato (misurato a Vout) ad alcune frequenze.

Questo può essere utile