Чистая мощность для каждой ИС, часть 3: Понимание ферритовых бусин
Ферритовые шарики, используемые в сочетании с байпасными конденсаторами, могут обеспечить улучшенную фильтрацию и развязку питания.
Статьи, которые предоставляют вспомогательную информацию
- Конденсаторы переменного тока
- Цепи индуктивности переменного тока
Предыдущие статьи в этой серии
- Чистая мощность для каждой ИС, часть 1: Общие сведения об обходных конденсаторах
- Чистая мощность для каждой ИС, часть 2: выбор и использование ваших байпасных конденсаторов
Если Емкость недостаточно
Мы заключили предыдущую статью с сокращенным набором рекомендаций для правильного проектирования и прокладки сети байпаса питания, которая будет хранить достаточный заряд для долгосрочных отклонений электропитания и иметь низкий импеданс до доминирующих шумовых частот. Вы можете быть уверены, что этот подход будет более чем достаточным для большинства проектов.
Тем не менее, успех подхода, основанного только на конденсаторе, не означает, что нет возможности для улучшения, и именно здесь вступает в действие менее известный компонент развязки. Если вы чувствуете, что любые микросхемы вашей схемы особенно чувствительны к шуму (и поэтому нуждаются в дополнительной фильтрации) или особенно шумно (и поэтому нуждаются в дополнительной развязке от силовой передачи), вам следует исследовать чудесный мир ферритовых бусин.
Что в бусине "" src = "// www.allaboutcircuits.com/uploads/articles/CP3_3D_bead.jpg" />
Электромагнитные свойства феррита позволяют материалу влиять на ток, протекающий через проводник. Точный характер этого влияния частично зависит от типа феррита (например, марганца-цинка и никель-цинка), а свойства конкретного ферритового материала могут быть дополнительно уточнены в процессе производства. Во многих поверхностных ферритовых шариках проводник формируется в структуру катушки, причем отдельные обмотки накладываются между ферритовыми листами. Таким образом, электрические характеристики также зависят от деталей конструкции обмотки.
Ферритовые бусины можно разделить на две общие категории: бусины с высоким Q (ака резонансные) и бусины с низким Q (или нерезонансным). Шарики с высоким Q предназначены для приложений, требующих высокого уровня резонанса, таких как генераторы и специализированные фильтры. Однако в контексте фильтрации электропитания нам необходимо свести к минимуму резонанс (как обсуждается далее в статье), поэтому выходы с высоким Q отсутствуют. В оставшейся части этой статьи вы можете предположить, что любое упоминание о ферритовых бусах относится к шарикам с низким Q.
Это не индуктор, а не конденсатор, а не резистор.,,
В нашей попытке понять ферритовые бусины мы можем начать с рассмотрения эквивалентной схемы первого порядка, а затем перевести эту эквивалентную схему в общий график импеданса по отношению к частоте.
Индуктор помещается в центр в качестве напоминания о том, что преобладающая реакция ферритового шарика является индуктивной, т. Е. Импеданс увеличивается с частотой. Однако в какой-то момент (обычно где-то между 30 и 500 МГц) параллельная емкость начинает доминировать над индуктивностью, а импеданс затем уменьшается с частотой. Относительно небольшое параллельное сопротивление (скажем, порядка 100 Ом) уменьшает резонанс, связанный с конденсатором и индуктором, так что импеданс выравнивается в точке перехода, а не достигает максимума при типичной высокой Q-моде. Этот ответ проявляется на следующем графике, показывающем измеренные импедансные характеристики стандартного ферритового шарика SMD производства Wurth Electronics:
Черная линия указывает общий импеданс, который (хотя и не показан на графике) начинается с серии R, иначе называемой сопротивлением постоянного тока борта. Затем он линейно увеличивается во время индуктивного частотного диапазона, выравнивается на 300 МГц, а затем начинает уменьшаться до выравнивания на 1, 1 ГГц.
Красные и синие пунктирные линии показывают, что общий импеданс является результатом двух отдельных элементов, а именно индуктивного сопротивления (XL) и зависимого от частоты сопротивления (R). Это поднимает важный момент: эквивалентная схема, приведенная выше, предназначена для репликации частотной характеристики борта - она не передает внутреннюю структуру борта. Эквивалентная модель полезна для понимания того, как импеданс ферритового шарика изменяется с частотой и для моделирования, но в первую очередь сам ферритовый материал определяет свойства импеданса компонента. Это важно понять, потому что эквивалентная схема может отвлечь вас от одной из определяющих характеристик ферритовых бусин: они фактически рассеивают высокочастотную энергию.
Шум, разогрев
Напомним, что идеальные индукторы и конденсаторы не рассеивают никакой энергии; они просто хранят энергию, либо в магнитном поле (индукторы), либо в электрическом поле (конденсаторы). С другой стороны, резистор выводит энергию из схемы и рассеивает ее как тепло. Ферритовые шарики, в отличие от индукторов, преднамеренно резистивны на высоких частотах. Вот почему приведенный выше график имеет красную пунктирную линию с надписью «R» - от 100 МГц до 1 ГГц, борт демонстрирует значительный резистивный импеданс, а не реактивный импеданс. Фактически, некоторые ферритовые бусины и индукторы ферритового сердечника практически идентичны в конструкции, за исключением того, что ферритовый шарик использует более «потерю» ферритового материала, потому что производитель хочет, чтобы шарик рассеивался, а не хранил высокочастотную энергию.
Но зачем этот вопрос? Мы недовольны по двум причинам. Во-первых, вы не можете по-настоящему понять ферритовый бусину, пока не уделите должное внимание этому фундаментальному различию между индуктором и шариком. Во-вторых, эта «потерянная» характеристика делает ферритовый шарик особенно подходящим для подавления шума. Зачем? Индуктивность может привести к резонансу и звонку, когда энергия высокочастотного шума, накопленная в индукторе, взаимодействует с емкостью в другом месте схемы. Как мы видели в предыдущих статьях, звон может стать серьезной проблемой даже тогда, когда мы имеем дело только с паразитной индуктивностью. Мы не хотим усугублять ситуацию резонанса / звона, и поэтому мы выбираем ферритовые гранулы над индукторами.
Выберите осторожно
Ключом к максимизации преимуществ шумоподавления ферритового борта является обеспечение того, чтобы целевые шумовые частоты попадали в резистивный диапазон борта, т. Е. Ту часть частотной характеристики, в которой резистивный импеданс доминирует над реактивным сопротивлением. Это означает, что вы не можете просто взглянуть на основные спецификации, указанные в каталоге или листе данных. Например, предположим, что вы ожидаете шип шума на частоте 100 МГц из-за микропроцессорного тактового сигнала. Описание Digi-Key для части Wurth, рассмотренной выше, следующее:
И среди спецификаций вы видите следующее:
На основе этой информации вы можете предположить, что резистивная полоса борта включает в себя 100 МГц. В этом случае вы будете правы - как показано на графике частотного отклика, этот конкретный шарик входит в его резистивное состояние примерно на 80 МГц.
Тем не менее, по-прежнему существует значительная индуктивная реактивность на частоте 100 МГц, и очевидно, что борт обеспечит оптимальную производительность при шумовых частотах около 300 МГц.
Теперь, допустим, вы думали о номере детали MMZ1608D121CTAH0 от TDK. Спецификация описания и импеданса такова:
Если вы снова предположите, что борт в основном резистивный на частоте 100 МГц, вы столкнетесь с небольшими проблемами:
Сюжет показывает, что 100 МГц все еще очень сильно внутри индуктивной части кривой импеданса борта. Основываясь на точке, в которой кривая начинает выравниваться, резистивная полоса начинается примерно на 500 МГц, и борт не достигает точки оптимальной шумовой частоты до 700 МГц. Поэтому, если вы выберете этот шарик, это не только сопротивление на заданной частоте шума, но и тип импеданса, а именно реактивный, могут сделать вашу схему более восприимчивой к звонкам или даже сильным колебаниям на линии электропередач.
резюмировать
Здесь мы изучили некоторые существенные физические и электрические характеристики ферритовых бусин, и мы видели, что эти компоненты могут быть особенно эффективными в улучшении качества электроэнергии, когда они используются для подавления шумовых частот, попадающих в их зону резистивно-доминирующего импеданса. В следующей статье мы обсудим конкретные методы включения ферритовых шариков в обходные сети энергоснабжения.