Выбор и использование ферритовых бусин
Используйте ферритовые бусины, чтобы улучшить качество питания вашей печатной платы.
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
- Чистая мощность для каждой ИС, часть 3: Понимание ферритовых бусин
Проверка спецификаций
В предыдущей статье обсуждалось значение тщательного рассмотрения характеристик импеданса и частоты при выборе ферритового бусинки: по возможности целевые шумовые частоты должны попадать в «резистивную зону» борта, что означает диапазон частот, в которых резистивный импеданс доминирует над реактивным сопротивление. Это фундаментальный аспект максимизации способности вашего шарика подавлять шум, но есть и другие характеристики, которые необходимо учитывать, а именно: сопротивление постоянному току и номинальный ток.
В отличие от байпасных конденсаторов, ферритовые шарики используются последовательно с линией электропередач, что означает, что любой ток постоянного тока, протекающий через борт, создаст падение напряжения, пропорциональное сопротивлению постоянному току.
(Примечание: для представления ферритовых гранул используются несколько различных символов схемы. Показанный здесь не является «официальным» символом IEEE, но помогает нам оставаться в курсе функционального сходства между бисером и индукторами.)
Сопротивление постоянному току ферритового шарика - намного меньше, чем ом для типичных частей для поверхностного монтажа - редко бывает проблемой в этом возрасте маломощных ИС. Но это именно то, где вы можете столкнуться с проблемой: если вы не проверяете спецификацию сопротивления DC, или если у вас есть привычка бросать одну и ту же ферритовую шарик перед каждой ИС, вы можете не заметить, силовое устройство может потреблять достаточное количество тока, чтобы вызвать проблему. Представьте себе, например, что вы выбрали часть с довольно высоким сопротивлением постоянного тока, скажем, 0, 7 Ом, и что вы используете один шарик для фильтрации питания на 1, 1 В, подключенного к нескольким силовым контактам на высокопроизводительном цифровом сигнальном процессоре. Может быть, все нормально во время нормальной работы, но если этот процессор входит в период интенсивной вычислительной активности и потребляет 400 мА через борт, ваш основной источник питания 1, 1 В только уменьшился до 0, 82 В. Это временное, зависящее от работы отклонение источника питания может привести к тип прерывистого отказа, который, как известно, трудно диагностировать.
Номинальный ток не так прост, как кажется. Действительно, если ток установившегося состояния через борт выше номинального тока, может произойти повреждение. Но есть два нюанса, о которых вам нужно знать. Во-первых, номинальный ток не является постоянным по температуре:
Это кривая ослабления для части Wurth, обсуждавшейся в предыдущей статье. Крутой спад, начинающийся с 85 ° C, должен сделать это совершенно ясно, что вам нужно очень тщательно выбирать свои ферритовые бусины, если ваша система будет подвергаться воздействию высоких температур. Во-вторых, токи постоянного тока значительно ниже номинального максимума могут ухудшить производительность борта, потому что ферритовый материал становится «насыщенным». Ферритовое насыщение уменьшает пиковый импеданс шарика и смещает кривую импеданса в сторону более высоких частот, как показано на следующем рисунке от Murata:
Чтобы уменьшить эффект насыщения ядра, убедитесь, что номинальный ток вашего шарика составляет не менее 50% (предпочтительно 100%) выше, чем ожидаемый максимальный ток.
Резонанс: уменьшен, не ликвидирован
В предыдущей статье мы обсудили, как ферритовые бусины выгодны, потому что они рассеивают высокочастотную энергию и, следовательно, менее восприимчивы к резонансным проблемам. Однако ферритовые бусины преимущественно индуктивны в широком диапазоне частот, и их часто используют в сочетании с соседними конденсаторами, поэтому мы не можем просто забыть о резонансе. Напомним, что LC-схема будет резонировать на следующей частоте:
Это говорит о том, что резонансная частота уменьшается по мере увеличения емкости. Следовательно, большее количество емкости вблизи ферритового шарика увеличивает вероятность того, что борт будет преимущественно индуктивным на резонансной частоте.
Обычно вам не нужно много волноваться об этой проблеме резонанса - большинство байпасных конденсаторов мала (а именно 0, 1 мкФ), паразитные сопротивления помогают ослабить любой сигнал, который может произойти, и часто схема не генерирует значительную энергию шума при более низких частоты, которые попадают в зону реактивного доминирования ферритового шарика. Тем не менее, если вы используете ферритовые бусины в сочетании с относительно большими (например, выше 10 мкФ) байпасными конденсаторами, вы можете захотеть быстро провести симуляцию или прощупать некоторые сигналы, чтобы увидеть, заметили ли вы какой-либо сигнал. Если вы это сделаете, попробуйте найти ферритовый шарик, который проявляет более резистивный импеданс в проблемной полосе частот. В качестве альтернативы, если падение ИК-напряжения не вызывает беспокойства, вы можете уменьшить коэффициент добротности резонансного контура и тем самым подавить звон, вставив небольшой последовательный резистор вблизи силового штыря IC:
Фильтр "FBC"
Теперь мы готовы обсудить три общих способа, с помощью которых ваши схемы могут извлечь выгоду из стратегически выбранного ферритового бусина. Первый путь уже представлен в двух приведенных выше схемах: ферритовый шарик может быть объединен с байпасным конденсатором, чтобы сформировать эквивалент стандартного LC низкочастотного фильтра. Этот фильтр «FBC» теоретически подходит к двухполюсному отклику LC-фильтра внутри индуктивной полосы частот борта, а затем переходит в однополюсный отклик RC-фильтра, когда резистивный импеданс начинает доминировать над реактивным сопротивлением. Для этого существует определенная элегантность: скачкообразное скачкообразное изменение на низких частотах, где резонанс менее опасен, а высокочастотный сигнал подавляется резистивными свойствами борта.
На этом этапе мы должны указать хороший способ саботировать вашу ИС, а именно, используя ферритовый шарик без конденсатора между силовым штырем и землей:
Как обсуждалось в первой статье этой серии, цифровые ИС (и, в меньшей степени, аналоговые ИС) должны иметь возможность набирать быстрые импульсы тока от силовой передачи. Низкий ESR, низкочастотный байпасный конденсатор, расположенный рядом с силовым штырем, обеспечивает этот ток. Теперь напомним, что индуктор (и, в свою очередь, ферритовый шарик) выступает против изменений тока. Это означает, что ферритовый шарик, используемый в двух вышеуказанных неправильных конфигурациях, блокирует переходный ток, необходимый IC. Следовательно, вам нужен конденсатор, расположенный «вниз по течению» ферритового бусина, так что переходный ток может поступать непосредственно из колпачка (т. Е. Без протечки через борт).
Фильтр нижних частот FBC потенциально полезен для любой ИС, которая особенно чувствительна к высокочастотному шуму на линии электропередачи. Но обратите внимание на что-то еще: ферритовый шарик также будет формировать фильтр FBC с любой емкостью на другой стороне шарика, включая байпасные конденсаторы, подключенные к другим микросхемам на одной и той же электрической шине. Таким образом, ферритовые бусины помогают подавлять не только шум, поступающий в ИС, но и шум, выходящий из ИС. Это означает, что ферритовые бусины особенно ценны для развязки в печатных платах с несколькими цифровыми компонентами, поскольку они имеют тенденцию изолировать каждую ИС от шума, создаваемого всеми другими ИС.
Мощность смешанного сигнала
Обычно предпочтительнее подавать аналоговое и цифровое питание в ИС смешанного сигнала, генерируя отдельные напряжения питания через два линейных регулятора. Но если этот подход невозможен, возможно, из-за ограничений на борту, вы можете использовать ферритовый шарик для обеспечения некоторой шумоизоляции, а именно:
Подавление шума у источника
В другой раз, чтобы рассмотреть ферритовые бусины, вы предпочитаете использовать один фильтр на источнике питания вместо отдельных фильтров, прикрепленных к нескольким микросхемам. Это эффективный подход для схемы, в которой шумный DC / DC-преобразователь обеспечивает питание для нескольких аналоговых компонентов, которые чувствительны к шуму, но обычно не создают больших шумов. Стандартной конфигурацией для такого фильтра является ферритовый шарик с конденсатором с обеих сторон; в идеале техническое описание преобразователя постоянного тока обеспечит руководство по значениям компонентов и другим деталям. Например, Linear Technology рекомендует следующее для LTC1551, который является инвертирующим регулятором зарядного насоса:
В техническом паспорте утверждается, что с помощью этого простого фильтра выходной шум может достигать 1 мВ от пика до пика.
Несмотря на то, что ферритовые бусины будут в основном индуктивными на относительно низких частотах, используемых зарядными насосами и переключающими регуляторами, резистивный импеданс поможет уменьшить шум, связанный с высокочастотными гармониками.
резюмировать
Ферритовые бусины обеспечивают дополнительную фильтрацию и изоляцию, которые могут быть полезны в шумных цифровых средах или когда необходимо защищать чувствительные к звуку аналоговые компоненты. По возможности выберите шарик, который в основном резистивный на доминирующих шумовых частотах, и не забудьте проверить сопротивление постоянного тока и номинальный ток борта, чтобы избежать проблем, связанных с падением напряжения и насыщением ядра.