Положение ферритовых шариков

Я хочу использовать дополнительную фильтрацию питания для моих устройств ЦАП, АЦП, CPLD и OpAmp. В этом вопросе я получил представление о глобальных местоположениях ферритовых бусин. Если я правильно понял, ферритовый шарик должен быть расположен близко к устройству, независимо от того, является ли оно генерирующим шум или чувствительным к шуму устройством. Пожалуйста, поправьте меня, если это не общий случай. Я видел несколько примеров схем, где шарики размещаются до или внутри схемы обходной крышки:

Примечание к рисунку: источник питания - Vin, Chip - Vout

Есть ли существенная разница между двумя подходами выше?

Я изучаю информацию о разделительных конденсаторах и наткнулся на информацию о ферритовых шариках от TI :

Ферритовые бусины - очень удобный инструмент в вашем арсенале схемотехники. Однако они не очень хорошая идея для всех цепей питания. Ферритовые шарики эффективно поглощают высокочастотные переходные процессы, повышая их сопротивление на более высоких частотах. Это делает их очень хорошими в предотвращении попадания шума источника питания на 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 аналоговыми схемами, такими как композитное видео или PLL. Эти шарики эффективно отключают поток энергии во время переходных процессов с высоким уровнем шума, позволяя потреблять энергию только от развязывающих конденсаторов, которые находятся ниже по потоку. Это значительно снижает шум на чувствительных участках цепи.

Как их использовать:

Ферритовые шарики следует использовать между двумя конденсаторами для заземления. Это формирует фильтр Пи и значительно уменьшает количество шума для питания. На практике конденсатор на стороне микросхемы должен быть расположен как можно ближе к шару подачи микросхемы. Расположение ферритовых шариков и входного конденсатора не так важно.

Если нет места для двух конденсаторов, чтобы сформировать фильтр Пи, следующая лучшая вещь должна удалить входной конденсатор. Конденсатор со стороны чипа всегда должен быть там. Это очень важно. В противном случае ферритовые шарики с повышенным высокочастотным сопротивлением могут усугубить ситуацию, а не улучшить ее, поскольку на стороне микросхемы будет локальное накопление энергии, и, следовательно, нет способа передать импульсы высокой пиковой мощности на микросхему, в которых она так отчаянно нуждается.

Когда их не использовать:

Вышеуказанные ферритовые характеристики очень удобны для тех секций схемы, которые равномерно и равномерно потребляют энергию, но те же характеристики делают их непригодными для цифровых секций питания. Цифровым процессорам нужен высокий пиковый ток, потому что большинство внутренних транзисторов, которые переключаются на каждом фронте тактового генератора, все требование возникает сразу. Ферритовые шарики (по определению) не будут пропускать энергию через них с высокой скоростью линейного изменения, требуемой для логики цифрового процессора. Это то, что делает их идеальными для фильтрации шума на аналоговых (таких как PLL) источниках.

Поскольку все потребности в электроэнергии в цифровой системе являются мгновенными (высокочастотными), вместо того, чтобы быть медленным и устойчивым спросом, ферритовые шарики будут блокировать цифровое питание во время пиков. Теоретически, обводные конденсаторы на стороне процессора шарика будут обеспечивать пиковый ток, заполняя промежутки, вызванные ферритами, до тех пор, пока они не будут заряжены после того, как пик закончен, но в действительности сопротивление даже лучших конденсаторов слишком велико выше примерно 200 МГц, чтобы обеспечить достаточную пиковую мощность для процессора. В системах без ферритов плоская емкость может помочь заполнить этот промежуток, но если используется феррит, он вставляется между плоскостями и выводом питания, поэтому преимущества плоской емкости теряются. Это приведет к значительному мгновенному падению напряжения в тот период, когда процессор в этом больше всего 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 уровня электромагнитных помех), однако это выходит за рамки данной заметки.

Я полагаю, вы должны изучить, как выглядит ваш спектр тока переключения. Если для ваших цифровых цепей требуются большие переходные процессы по току, на них не следует использовать ферритовый шарик.

В настоящее время я придерживаюсь мнения, что ферритовый шарик полезен в определенных, очень специфических приложениях, но он в основном используется в качестве лейкопластыря, когда возникают проблемы, которые необходимо решить путем изучения сети доставки энергии.

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

Моя плата будет включать удвоители / инверторы напряжения, такие как ADM660 и микроконтроллер, который будет генерировать два противофазных 5 кГц 5 В TTl для управления зеркалом EM. Когда провод наушников касается платы, я слышу звон в наушниках. Поэтому я думаю, что такие шумы будут влиять на другие АЦП, ЦАП, операционные усилители, CPLD, которые находятся на плате. Я думал, что размещение ферритового шарика на каждой линии питания будет хорошо. Кроме того, какой тип ферритовых шариков лучше всего подойдет для прямоугольного TTL 10 МГц?

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

Резюме - вероятно, лучше всего не использовать ферритовые шарики, потому что они только начинают проявлять свои собственные частоты выше 30 МГц.

По сути, я думаю, что некоторые из проблем, которые вы, возможно, пытаетесь решить, лучше всего оставить на арене «индукторов», в то время как, возможно, квадратная волна 10 МГц (и, что более важно, ее гармоники) может быть решена с помощью ферритовых шариков.

Тем не менее, мой совет, как правило, - используйте заземляющие плоскости, за которыми следует очень хорошая развязка конденсаторов на всех чиповых блоках питания, и если вы можете использовать небольшие резисторы, подающие питание в 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 индукторы и, конечно, прежде чем рассматривать ферритовые шарики.

Я не согласен со Spehro - правильное изображение намного лучше, т.е. менее резонансное. Схема слева будет видеть «антирезонанс» - на определенной частоте в диапазоне 100 МГц крышка 10 мкФ начнет выглядеть как индуктор, в то время как конденсатор .1 мкФ все равно будет выглядеть как конденсатор, заставляя их пару вести себя как цепь бака LC. Вокруг этой частоты этот контур резервуара не будет поглощать или источать какой-либо ток, а скорее просто качать его взад и вперед, как так много жидкости для полоскания рта, и поэтому две колпачки вместе будут иметь очень высокий импеданс, делая их паршивыми для развязки.

Как очень широкое эмпирическое правило, это плохая идея иметь две керамические заглушки на одной рейке, которые сильно различаются по емкости, и без каких-либо других промежуточных значений. (Например, вы можете положить .1uF, и .68uF, 2.2uF, и 10uF на одной рейке, но если у вас просто .1uF и 10uF, у вас могут быть проблемы.)

На рисунке справа имеется феррит между несовпадающими конденсаторами, демпфирующий цепь LC-бака с сопротивлением (потому что ферриты резистивны выше 100 МГц, а не индуктивны), и это предотвращает взаимодействие колпачков друг с другом.

Другим решением будет использование танталовой или электролитической крышки для 10 мкФ, потому что ее встроенное сопротивление ЭПР также ослабит контур резервуара (но такая крышка была бы бесполезна для фильтрации высокочастотного шума).

Я получаю все это из действительно полезной заметки Мураты .

Там можно найти множество отличных комбинаций ферритов, индукторов и колпачков, используемых для развязки.

Обе настройки могут работать. Что лучше, определяется значениями конденсаторов, их ESL и сетью доставки энергии в нисходящем направлении.

В левой настройке PDN должен обеспечивать низкоимпедансный тракт на более низких частотах. Это требование для этой настройки для работы.

Потенциальным преимуществом параллельного подключения двух конденсаторов является более низкий импеданс мощности в более широком диапазоне (при условии, что 0,1 мкФ и 10 мкФ покрывают различные частотные диапазоны). Что касается пресловутого антирезонанса двух конденсаторов - посмотрите на кривые частоты импеданса. Ситуация, когда это происходит, когда один конденсатор все еще является конденсатором, а другой является индуктором. Это не должно быть так. Таким образом, ответ, предоставленный Spehro, также имеет смысл.

Что касается правильной настройки, она также может работать. Но обратите внимание, что C1 является единственным, кто обеспечивает питание, когда борт закрыт, поэтому его ответственность огромна. Левый большой конденсатор может не понадобиться в непосредственной близости (как я полагаю, рис.) Если шарик закрывается рано (скажем, в единицах МГц или десятках МГц), то он должен обеспечивать низкоимпедансный путь на частотах кГц (или единицах МГц), где требования к местоположению ослаблены (поскольку длина волны света составляет порядка десятков метров). на этих частотах). Но это зависит.

аппендикс

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

Рассмотрим для простоты установку только с одним конденсатором. Основное назначение второго конденсатора в установке pi - обеспечить низкий импеданс для питания на низких частотах:

Требуемое значение емкости

В заявлении Мураты , стр. 11, говорится:

Полагаю, способ получения формулы был следующим. Они приняли реактивное сопротивление индуктивности и конденсатора равным (Lw = 1 / CW), рассчитанную частоту, выраженную Zt через частоту, чтобы получить уравнение. Это не правильно в целом. Во-первых, сопротивление конденсатора в целом не равно 1 / Cw, особенно на высоких частотах, где доминирует ESL. Во-вторых, полное сопротивление конденсатора должно быть намного (на порядки) меньше, чем полное сопротивление индуктора, а не просто меньше (в 2 или 3 раза меньше не будет работать).

Правильный способ состоит в том, чтобы сравнить кривые импеданс-частота конденсатора и катушки индуктивности (в идеале с учетом используемого смещения постоянного тока) и убедиться, что сопротивление конденсатора намного меньше, чем сопротивление катушки индуктивности, где оно должно быть. , Требуется не просто значение емкости. Требуемое значение полного сопротивления конденсатора (на некоторой частоте) может быть рассчитано как deltaV / current, где deltaV - допустимое колебание напряжения, а current - амплитуда тока на этой частоте.

Работа ферритового шарика

Рассмотрим в качестве примера эту бусину BLM03AX241SN1 :

Типичный импеданс сети доставки энергии (PDN), видимой на печатной плате с плоскостями питания / заземления, составляет от сотен мОм до единиц Ом. Таким образом, бусинка фактически является открытым соединением (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 ферритовый шарик, становится первостепенной. Неправильно выбранный конденсатор сделает чип неработоспособным. Плохо выбранная крышка байпаса не будет такой проблемой, если бусинка не используется из-за действия других конденсаторов (параллельно).

ИК падение на низких частотах

Ферритовые шарики для силовой фильтрации обычно конструируются как индукторы с низким q для предотвращения паразитного резонанса. Таким образом, постоянное сопротивление ферритовых шариков сделано намеренно высоким. Часто это около 500 МОм или даже несколько Ом. Выберите шарик с соответствующим сопротивлением постоянного тока (существуют специальные серии для линий электропередач с относительно низким сопротивлением постоянного тока). Удостоверьтесь, что вы можете допустить падение ИК-сигнала, учитывая ваш постоянный ток (скажем, ток 10 мА при 500 мОм вызывает падение 5 мВ).

Высокие частоты (> 500 МГц)

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

Без платы, других конденсаторов на плате, а также планарной емкости силовых плоскостей у нас работают. И все они параллельны обводному конденсатору, уменьшая полное сопротивление PDN. Да, другие конденсаторы могут быть расположены далеко, но плоская индуктивность силовых плоскостей также очень мала (ток менее концентрирован, чем при протекании в следе). Таким образом, все они имеют некоторый положительный вклад, несмотря на индуктивность на пути к ним.

По этой причине ферритовые шарики не рекомендуются в высокочастотных, сильноточных цепях (например, в цифровых процессорах), потому что каждые сто мОм дополнительного импеданса PDN могут быть критическими.

Резюме

Ферритовый шарик может быть полезен для эффективного блокирования внешнего шума (или наоборот, шума от микросхемы) в некотором частотном диапазоне, обеспечивая при этом соединение постоянного тока (для зарядки крышки байпаса). Шарик может иметь значительное сопротивление постоянному току, вызывая падение напряжения постоянного тока. Шарик увеличивает общий импеданс PDN (я думаю, на всех частотах), что может быть нежелательно на высоких частотах, когда конденсаторы перестают работать хорошо. Выбор обходной заглушки становится первостепенным. Всегда используйте кривые импеданс-частота как для конденсатора, так и для индуктивности (а не только для простых значений L и C).

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

Это может быть полезно.