Posição do cordão de ferrite

Desejo usar alguma filtragem extra de fonte de alimentação para meus dispositivos DAC, ADC, CPLD e OpAmp. Em esta pergunta que eu tenho o ponto sobre os locais globais de contas de ferrite. Se entendi corretamente, o cordão de ferrite deve ser colocado próximo ao dispositivo, independentemente de ser um dispositivo gerador de ruído ou suscetível a ruído. Por favor, corrija-me se não for um caso geral. Eu vi alguns exemplos de esquemas em que as esferas são colocadas antes ou dentro do circuito da tampa de derivação:

Nota para a foto: Fonte de energia é Vin, Chip é Vout

Existe uma diferença significativa entre as duas abordagens acima?

Estou pesquisando informações sobre desacopladores de capacitores e encontrei algumas informações sobre esferas de ferrite da TI :

Contas de ferrite são ferramentas muito úteis para ter em seu arsenal de design de circuitos. No entanto, elas não são uma boa ideia para todos os trilhos de energia do circuito. As esferas de ferrite absorvem efetivamente os transientes de alta frequência, aumentando sua resistência em frequências mais altas. Isso os torna muito bons em impedir que o ruído da fonte de alimentação chegue às seções sensíveis do circuito, no entanto, também os torna uma péssima idéia para a alimentação digital principal.

Quando usá-los:

Use-os em traços de energia em série com seções de circuitos analógicos, como vídeo composto ou PLLs. Essas esferas efetivamente interrompem o fluxo de energia em tempos de transientes de alto ruído, permitindo que a energia seja extraída apenas dos capacitores de desacoplamento que estão a jusante. Isso reduz consideravelmente o ruído nas seções sensíveis do circuito.

Como usá-los:

Contas de ferrite devem ser usadas entre dois capacitores para o aterramento. Isso forma um filtro Pi e reduz consideravelmente a quantidade de ruído no suprimento. Na prática, o capacitor no lado do chip deve ser colocado o mais próximo possível da esfera de suprimento de chips. A colocação do cordão de ferrite e o posicionamento do capacitor de entrada não são tão cruciais.

Se não houver espaço para dois capacitores formarem um filtro Pi, a próxima melhor opção é excluir o capacitor de entrada. O capacitor do lado do chip sempre deve estar lá. Isto é muito importante. Caso contrário, as esferas de ferrite aumentam a resistência a altas frequências, podendo piorar as coisas, em vez de melhorar, pois haverá armazenamento local de energia no lado do chip e, portanto, não há como obter os pulsos de energia de pico alto para o chip que ele precisa desesperadamente.

Quando não usá-los:

As características de ferrite acima são muito úteis para as seções do circuito que consomem energia de maneira uniforme e consistente, mas as mesmas características as tornam inadequadas para as seções de energia digital. Os processadores digitais precisam de alta corrente de pico, porque a maioria dos transistores internos que comutam estão ativando em cada extremidade do relógio, toda a demanda ocorre de uma só vez. As esferas de ferrite (por definição) não permitem que a energia flua através delas com as altas taxas de rampa exigidas pela lógica do processador digital. É isso que os torna perfeitos para filtragem de ruído em suprimentos analógicos (como PLL).

Como toda a demanda de energia no sistema digital é instantânea (alta frequência), em vez de ser uma demanda lenta e constante, as esferas de ferrite bloqueiam o suprimento digital durante os picos. Teoricamente, os capacitores de bypass do lado do processador forneceriam a corrente de pico, preenchendo as lacunas causadas pelas ferritas até serem carregadas após o pico terminar, mas, na realidade, a impedância até dos melhores capacitores é muito alta acima de 200 MHz para fornecer energia de pico suficiente para o processador. Em sistemas sem ferritas, a capacitância planar pode ajudar a preencher essa lacuna, mas se for usada uma ferrita, ela será inserida entre os planos e o pino de energia, para que os benefícios da capacitância planar sejam perdidos. Isso causará uma grande queda instantânea de tensão durante o período em que o processador mais precisa, causando erros de lógica e comportamento estranho, se não colisão imediata. Isso pode ser evitado pelo design adequado, se necessário para o seu sistema (para redução de EMI, por exemplo); no entanto, isso está além do escopo desta nota.

Eu acredito que você deve examinar como é o seu espectro de corrente de comutação. Se seus circuitos digitais exigirem grandes transitórios de corrente, você não deve usar um cordão de ferrite neles.

Atualmente, penso que o cordão de ferrite é útil em determinadas aplicações muito específicas, mas é usado principalmente como um curativo quando surgem problemas que devem ser resolvidos examinando a rede de fornecimento de energia.

Embora seja bom ver alguns gráficos ou outros dados, o que li aqui da TI parece plausível. O que vocês acham disso?

Minha placa incluirá dobradores / inversores de tensão, como o ADM660 e um microcontrolador, que gerará dois TTls fora de fase de 5kHz 5V e 5V para acionar o espelho EM. Quando o fio do meu fone de ouvido toca a placa, ouço o toque dele. Então, acho que esses ruídos afetarão outros ADCs, DACs, OpAmps, CPLDs que estão no quadro. Eu pensei que colocar um cordão de ferrite em cada linha de alimentação faria bem. Além disso, que tipo de cordão de ferrite funcionaria melhor para TTL de onda quadrada de 10 MHz?

Exorto você a ler este documento. Alguns dos pontos mais importantes que observei abaixo:

Resumo - provavelmente é melhor não usar esferas de ferrite, porque elas realmente começam a aparecer acima de 30 MHz.

Basicamente, acho que alguns dos problemas que você pode estar tentando resolver são melhores na arena dos "indutores", enquanto talvez a onda quadrada de 10 MHz (e mais importante ainda seus harmônicos) possa ser tratada usando contas de ferrite.

No entanto, meu conselho geralmente é: use planos de aterramento seguidos de um bom desacoplamento de capacitores em todas as fontes de alimentação de chips e se você puder usar resistores pequenos que alimentam energia em locais vulneráveis ​​(talvez de 1 a 10 ohm). Se isso não der certo, eu gostaria de saber o porquê e, possivelmente, melhorar o aterramento e o desacoplamento antes de inserir indutores e certamente antes de considerar as esferas de ferrite.

Eu discordo de Spehro - a imagem certa é muito melhor, ou seja, menos ressonante. O circuito à esquerda exibirá "anti-ressonância" - a uma certa frequência na faixa de 100MHz, a tampa de 10uF começará a parecer um indutor, enquanto o capacitor .1uF ainda parecerá um capacitor, fazendo com que o par deles se comporte como um circuito de tanque LC. Em torno dessa frequência, esse circuito do tanque não afunda ou alimenta nenhuma corrente, mas apenas balança de um lado para o outro como tantos enxaguantes bucais, e assim as duas tampas juntas têm uma impedância muito alta, tornando-as ruins para a dissociação.

Como regra geral, é uma péssima idéia ter duas tampas de cerâmica no mesmo trilho que sejam muito diferentes em capacitância, sem outros valores intermediários também. (Por exemplo, você pode colocar .1uF e .68uF, 2.2uF e 10uF no mesmo trilho, mas se você tiver apenas .1uF e 10uF, poderá ter problemas.)

A figura à direita possui uma ferrita entre os capacitores incompatíveis, amortecendo o circuito do tanque de LC com uma resistência (porque as ferritas são resistivas acima de 100MHz, não indutivas) e isso evita que as tampas interfiram entre si.

Outra solução seria usar um tântalo ou tampa eletrolítica para os 10uF, porque sua resistência ESR interna também amorteceria o circuito do tanque (mas essa tampa seria inútil para filtrar ruídos de alta frequência).

Estou recebendo tudo isso de uma nota de aplicação realmente útil da Murata .

Muitas combinações bacanas de ferritas, indutores e tampas usadas para desacoplamento podem ser encontradas lá.

Ambas as configurações podem funcionar. O que é melhor é regido pelos valores dos capacitores, seus ESLs e pela rede de fornecimento de energia a jusante.

Na configuração esquerda, o PDN deve fornecer um caminho de baixa impedância em frequências mais baixas. Este é o requisito para que essa instalação funcione.

A vantagem potencial de paralelizar dois capacitores é a menor impedância de potência em uma faixa mais ampla (assumindo que 0,1 uF e 10 uF abrangem diferentes faixas de frequência). Quanto à notória anti-ressonância dos dois capacitores - observe as curvas de frequência de impedância. A situação em que isso ocorre é quando um capacitor ainda é capacitor e outro é um indutor. Este não deve ser o caso. Portanto, a resposta fornecida por Spehro também faz sentido.

Quanto à configuração correta, também pode funcionar. Mas observe que C1 é o único a fornecer energia quando o cordão está fechado - portanto, sua responsabilidade é enorme. O capacitor maior esquerdo pode não ser necessário nas proximidades (como assumido pela foto, eu acho). Se o cordão fechar cedo (digamos, em unidades de MHz ou dezenas de MHz), deverá fornecer um caminho de baixa impedância em frequências de kHz (ou unidades de MHz) onde os requisitos de localização são relaxados (como o comprimento de onda da luz é da ordem de dezenas de metros) nessas frequências). Mas isso depende.

Apêndice

Abaixo estão algumas considerações gerais sobre esferas de ferrite que podem ser interessantes.

Considere por simplicidade a configuração com apenas um capacitor. O principal objetivo do segundo capacitor na configuração pi é fornecer baixa impedância de energia em frequências mais baixas:

Valor de capacitância necessário

A nota de aplicação de Murata , página 11, diz

Eu acho que da maneira que a fórmula derivou foi a seguinte. Eles assumiram a reatância do indutor e do capacitor igual (Lw = 1 / cw), frequência calculada, expressando Zt em termos de frequência para obter a equação. Isso não está correto em geral. Primeiro, a impedância de um capacitor em geral não é igual a 1 / Cw, especialmente em altas frequências onde o ESL domina. Segundo, a impedância do capacitor deve ser muito (ordens de magnitude) menor que a impedância do indutor, não apenas menor (2x ou 3x vezes menor não funcionaria).

A maneira correta seria comparar as curvas de impedância-frequência do capacitor e do indutor (considerando o viés DC usado, idealmente) e garantir que a impedância do capacitor seja muito menor que a impedância do indutor onde ele precisa ser . Não é simplesmente algum valor de capacitância necessário. O valor requerido da impedância do capacitor (em alguma frequência) pode ser calculado como deltaV / corrente, onde deltaV é uma flutuação de tensão permitida e a corrente é a amplitude da corrente nessa frequência.

Operação de um cordão de ferrite

Vamos considerar como exemplo este cordão BLM03AX241SN1 :

A impedância típica de uma rede de fornecimento de energia (PDN) vista em PCB com planos de potência / terra é de centenas de mOhm a unidades de Ohms. Portanto, o cordão é efetivamente uma conexão aberta (resistência ~ 100 Ohm) a partir de vários MHz.

Isso significa que todo o PDN é cortado do chip. Toda a esperança é para o capacitor. Assim, a importância do capacitor , se um cordão de ferrite for usado, torna-se primordial. O capacitor escolhido incorretamente tornaria o chip inoperante. A tampa de bypass mal selecionada não seria um problema se um cordão não for usado devido à ação de outros capacitores (em paralelo).

Queda de IR em baixas frequências

As esferas de ferrite para filtragem de energia geralmente são projetadas como indutores de baixo q para evitar ressonância parasitária. Portanto, a resistência DC das esferas de ferrite é intencionalmente alta. Frequentemente, são cerca de 500 mOhm ou até vários Ohms. Selecione um cordão com resistência CC adequada (existem séries especiais para linhas de energia com resistência CC relativamente baixa). Certifique-se de que você tolera a queda de infravermelho devido à sua corrente DC (por exemplo, corrente de 10 mA a 500 mOhm produz queda de 5 mV).

Altas frequências (> 500 MHz)

O indutor está aberto. A impedância do capacitor provavelmente seria relativamente alta (~ 500 mOhm ou até Ohms).

Sem o cordão, outros capacitores na placa, bem como capacitância planar dos planos de energia, trabalham para nós. E todos eles são paralelos ao capacitor de desvio, diminuindo a impedância do PDN. Sim, outros capacitores podem estar localizados longe, mas a indutância planar dos planos de energia também é muito pequena (a corrente é menos concentrada do que quando flui em um traço). Então, todos eles têm alguma contribuição positiva, apesar da indutância no caminho para eles.

Essa é a razão, esferas de ferrite não são recomendadas em circuitos de alta frequência e alta corrente (por exemplo, processadores digitais), porque cada cem mOhm de impedância de PDN adicional pode ser crítica.

Sumário

Um cordão de ferrite pode ser útil para bloquear efetivamente o ruído externo (ou vice-versa, o ruído do chip) dentro de alguma faixa de frequência, enquanto fornece uma conexão DC (para carregar a tampa de derivação). Um cordão pode ter uma resistência CC substancial, produzindo queda de tensão CC. Um cordão aumenta a impedância geral de PDN (eu acho, em todas as frequências), o que pode não ser bem-vindo em altas frequências, onde os capacitores param de funcionar bem. A escolha do limite de desvio passa a ser fundamental. Sempre use curvas de impedância-frequência para o capacitor e o indutor (não apenas os valores simples de L e C).

Eu evitaria o arranjo do lado direito, porque é mais provável que resulte em comportamento ressonante indesejável (medido em Vout) em algumas frequências.

Isso pode ser útil.