Position des billes de ferrite

Je souhaite utiliser un filtrage d'alimentation supplémentaire pour mes appareils DAC, ADC, CPLD et OpAmp. Dans cette question, j'ai compris les emplacements mondiaux des billes de ferrite. Si j'ai bien compris, la perle de ferrite doit être placée près de l'appareil, qu'il s'agisse d'un appareil générateur de bruit ou sensible au bruit. Veuillez me corriger si ce n'est pas un cas général. J'ai vu quelques exemples de schémas où les perles sont placées avant ou dans les circuits du capuchon de dérivation:

Remarque sur la photo: la source d'alimentation est Vin, la puce est Vout

Y a-t-il une différence significative entre les deux approches ci-dessus?

Je recherche des informations sur les condensateurs de découplage et j'ai trouvé des informations sur les billes de ferrite de TI :

Les perles de ferrite sont des outils très pratiques à avoir dans votre arsenal de conception de circuits. Ils ne sont cependant pas une bonne idée pour tous les rails d'alimentation de circuit. Les billes de ferrite absorbent efficacement les transitoires haute fréquence en augmentant leur résistance à des fréquences plus élevées. Cela les rend très efficaces pour éviter que le bruit de l'alimentation ne parvienne aux sections de circuits sensibles, mais cela en fait également une très mauvaise idée pour l'alimentation numérique principale.

Quand les utiliser:

Utilisez-les sur des traces de puissance en série avec des sections de circuits analogiques comme la vidéo composite ou les PLL. Ces billes arrêtent efficacement le flux de puissance en cas de transitoires à bruit élevé, permettant à la puissance d'être tirée uniquement des condensateurs de découplage qui sont en aval. Cela réduit considérablement le bruit des sections de circuits sensibles.

Comment les utiliser:

Des billes de ferrite doivent être utilisées entre deux condensateurs à la terre. Cela forme un filtre Pi et réduit considérablement la quantité de bruit à l'alimentation. En pratique, le condensateur côté puce doit être placé le plus près possible de la bille d'alimentation de la puce. Le placement des billes de ferrite et le placement du condensateur d'entrée ne sont pas aussi cruciaux.

S'il n'y a pas de place pour deux condensateurs pour former un filtre Pi, la meilleure chose à faire est de supprimer le condensateur d'entrée. Le condensateur côté puce doit toujours être là. C'est très important. Sinon, les billes de ferrite ont augmenté la résistance aux hautes fréquences peut aggraver les choses au lieu de les améliorer car il y aura un stockage d'énergie local du côté de la puce, et donc aucun moyen de transmettre les impulsions de puissance de crête élevées à la puce dont elle a si désespérément besoin.

Quand ne pas les utiliser:

Les traits de ferrite ci-dessus sont très pratiques pour les sections de circuit qui consomment de l'énergie de manière uniforme et cohérente, mais les mêmes traits les rendent inappropriés pour les sections de puissance numériques. Les processeurs numériques ont besoin d'un courant de crête élevé, car la plupart des transistors internes qui commutent commutent à chaque front d'horloge, toute la demande se produit en même temps. Les billes de ferrite (par définition) ne permettront pas à la puissance de les traverser avec les taux de rampe élevés requis par la logique du processeur numérique. C'est ce qui les rend parfaits pour le filtrage du bruit sur les alimentations analogiques (comme PLL).

Étant donné que toute la demande de puissance dans le système numérique est instantanée (haute fréquence), au lieu d'être une demande lente et régulière, les billes de ferrite bloqueront l'alimentation numérique pendant les pics. Théoriquement, les condensateurs de dérivation du côté processeur de la perle fourniraient le courant de crête, comblant les lacunes causées par les ferrites jusqu'à ce qu'elles soient chargées après la fin de la crête, mais en réalité, l'impédance, même des meilleurs condensateurs, est trop élevée au-dessus d'environ 200 MHz pour fournir suffisamment de puissance de crête au processeur. Dans les systèmes sans ferrites, la capacité planaire peut aider à combler cet écart, mais si une ferrite est utilisée, elle est insérée entre les plans et la broche d'alimentation, de sorte que les avantages de la capacité planaire sont perdus. Cela entraînera une grosse chute de tension instantanée pendant la période où le processeur en a le plus besoin, provoquant des erreurs logiques et un comportement étrange sinon un crash immédiat. Cela peut être évité par une conception appropriée si nécessaire pour votre système (pour la réduction EMI, par exemple), mais cela dépasse le cadre de cette note.

Je crois que vous devriez examiner à quoi ressemble votre spectre de commutation actuel. Si vos circuits numériques nécessitent des transitoires de courant importants, vous ne devez pas utiliser de perle de ferrite dessus.

Je suis actuellement d'avis que la perle de ferrite est utile dans certaines applications très spécifiques, mais elle est surtout utilisée généreusement comme pansement lorsque des problèmes surviennent qui devraient être résolus en examinant le réseau de distribution d'énergie.

Bien qu'il serait agréable de voir des graphiques ou d'autres données, ce que je lis ici de TI semble plausible. Qu'en pensez-vous?

Ma carte comprendra des doubleurs / inverseurs de tension tels que l'ADM660 et un microcontrôleur, qui générera deux TTls 5 V 5 kHz déphasés pour piloter le miroir EM. Lorsque le fil de mon casque touche la carte, j'entends la sonnerie dans mon casque. Donc, je pense que de tels bruits affecteront les autres ADC, DAC, OpAmps, CPLD qui sont sur la carte. Je pensais que mettre une perle de ferrite sur chaque ligne d'alimentation ferait du bien. En outre, quel type de perle de ferrite fonctionnerait le mieux pour le TTL à onde carrée de 10 MHz?

Je vous exhorte à lire ce document. Certains des points saillants que j'ai notés ci-dessous: -

Résumé - il est probablement préférable de ne pas utiliser de billes de ferrite, car elles ne commencent vraiment à émerger au-dessus de 30 MHz.

Fondamentalement, je pense que certains des problèmes que vous essayez de résoudre sont mieux laissés dans l'arène "inductance" alors que peut-être l'onde carrée de 10 MHz (et plus important encore ses harmoniques) peut être traitée en utilisant des billes de ferrite.

Cependant, mon conseil est généralement - utilisez des plans de masse suivis d'un très bon découplage des condensateurs sur toutes les alimentations à puce et si vous pouvez utiliser de petites résistances alimentant les endroits vulnérables (peut-être 1 ohm à 10 ohms). Si cela ne réussit pas, je voudrais savoir pourquoi et éventuellement améliorer la mise à la terre et le découplage avant d'insérer des inducteurs et certainement avant d'envisager des billes de ferrite.

Je ne suis pas d'accord avec Spehro - la bonne image est bien meilleure, c'est-à-dire moins résonnante. Le circuit sur la gauche verra "antirésonance" - À une certaine fréquence dans la gamme 100 MHz, le cap de 10uF commencera à ressembler à une inductance, tandis que le condensateur .1uF ressemblera toujours à un condensateur, ce qui fera que la paire se comportera comme un circuit de réservoir LC. Autour de cette fréquence, ce circuit de réservoir ne coulera pas ni ne générera de courant, mais le fera simplement osciller comme autant de rince-bouche, et donc les deux bouchons ensemble auront une très haute impédance, ce qui les rend moche pour le découplage.

En règle générale, c'est une mauvaise idée d'avoir deux capuchons en céramique sur le même rail qui sont très différents en capacité, sans autres valeurs intermédiaires là-bas aussi. (Par exemple, vous pouvez mettre un .1uF, et .68uF, 2.2uF et 10uF tous sur le même rail, mais si vous avez juste .1uF et 10uF vous pourriez avoir des problèmes.)

La figure de droite a une ferrite entre les condensateurs incompatibles, amortissant le circuit du réservoir LC avec une résistance (car les ferrites sont résistives au-dessus de 100 MHz, pas inductives) et cela empêche les bouchons d'interférer les uns avec les autres.

Une autre solution serait d'utiliser un tantale ou un capuchon électrolytique pour le 10uF, car sa résistance ESR intégrée amortirait également le circuit du réservoir (mais un tel capuchon serait inutile pour filtrer le bruit haute fréquence).

Je tire tout cela d'une note d'application vraiment utile de Murata .

On y trouve de nombreuses combinaisons astucieuses de ferrites, d'inducteurs et de bouchons utilisés pour le découplage.

Les deux configurations peuvent fonctionner. Ce qui est mieux est régi par les valeurs des condensateurs, leurs ESL et le réseau de distribution d'énergie en aval.

Dans la configuration de gauche, le PDN devrait fournir un chemin de faible impédance à des fréquences plus basses. C'est la condition requise pour que cette configuration fonctionne.

L'avantage potentiel de la mise en parallèle de deux condensateurs est une impédance de puissance inférieure dans une plage plus large (en supposant que 0,1 uF et 10 uF couvrent des plages de fréquences différentes). En ce qui concerne l'anti-résonance notoire des deux condensateurs - regardez les courbes de fréquence d'impédance. Lorsque cela se produit, un condensateur est toujours un condensateur et un autre est un inducteur. Cela ne devrait pas être le cas. Ainsi, la réponse fournie par Spehro est également logique.

Quant à la bonne configuration, elle peut également fonctionner. Mais notez que C1 est le seul à fournir de l'énergie lorsque le cordon est fermé - sa responsabilité est donc énorme. Le plus grand condensateur gauche peut ne pas être nécessaire à proximité (comme le suppose la photo, je suppose). Si le cordon se ferme tôt (disons en unités de MHz ou en dizaines de MHz), il doit fournir un chemin de faible impédance à des fréquences kHz (ou unités de MHz) où les exigences de localisation sont assouplies (car la longueur d'onde de la lumière est de l'ordre de dizaines de mètres à ces fréquences). Mais ça dépend.

appendice

Voici quelques considérations générales sur les billes de ferrite qui pourraient être intéressantes.

Considérez pour simplifier la configuration avec un seul condensateur. L'objectif principal du deuxième condensateur dans la configuration pi est de fournir une faible impédance à l'alimentation à des fréquences plus basses:

Valeur de capacité requise

La note d'application de Murata , page 11, dit

Je suppose que la façon dont la formule a été dérivée était la suivante. Ils ont supposé la réactance de l'inductance et du condensateur égal (Lw = 1 / cw), la fréquence calculée, exprimée Zt en termes de fréquence pour obtenir l'équation. Ce n'est pas correct en général. Premièrement, l'impédance d'un condensateur en général n'est pas égale à 1 / Cw, en particulier aux hautes fréquences où l'ESL domine. Deuxièmement, l'impédance du condensateur devrait être beaucoup (de l'ordre de grandeur) plus petite que l'impédance de l'inductance, pas seulement plus petite (2x ou 3x fois plus petite ne fonctionnerait pas).

La bonne façon serait de comparer les courbes impédance-fréquence du condensateur et de l'inductance (en tenant compte de la polarisation CC utilisée, idéalement) et de s'assurer que l'impédance du condensateur est beaucoup plus petite que l'impédance de l'inductance là où elle doit être . Ce n'est pas simplement une valeur de capacité nécessaire. La valeur requise de l'impédance du condensateur (à une certaine fréquence) peut être calculée en deltaV / courant, où deltaV est une fluctuation de tension admissible et le courant est l'amplitude du courant à cette fréquence.

Fonctionnement d'une perle de ferrite

Prenons comme exemple cette perle BLM03AX241SN1 :

L'impédance typique d'un réseau de distribution d'énergie (PDN) vu dans les PCB avec des plans de puissance / masse est de plusieurs centaines de mOhm à des unités d'Ohm. Le cordon est donc effectivement une connexion ouverte (résistance ~ 100 Ohm) à partir de plusieurs MHz.

Cela signifie que l'ensemble du PDN est coupé de la puce. Tout espoir est pour le condensateur. Ainsi, l'importance du condensateur , si une perle de ferrite est utilisée, devient primordiale. Un condensateur mal choisi rendrait la puce inutilisable. Un bouchon de dérivation mal sélectionné ne serait pas un problème si une perle n'est pas utilisée en raison de l'action d'autres condensateurs (en parallèle).

Baisse IR aux basses fréquences

Les billes de ferrite pour le filtrage de puissance sont généralement conçues des inductances à faible q pour empêcher la résonance parasite. Ainsi, la résistance CC des billes de ferrite est rendue intentionnellement élevée. Souvent, c'est environ 500 mOhm ou même plusieurs Ohms. Sélectionnez un cordon avec une résistance CC appropriée (il existe des séries spéciales pour les lignes électriques avec une résistance CC relativement faible). Assurez-vous que vous pouvez tolérer une chute infrarouge compte tenu de votre courant continu (disons, un courant de 10 mA à 500 mOhm produit une chute de 5 mV).

Hautes fréquences (> 500 MHz)

L'inducteur est ouvert. L'impédance du condensateur serait probablement relativement élevée (~ 500 mOhm ou même Ohms).

Sans la perle, d'autres condensateurs sur la carte, ainsi que la capacité planaire des avions de puissance fonctionnent pour nous. Et ils sont tous en parallèle au condensateur de dérivation diminuant l'impédance PDN. Oui, d'autres condensateurs peuvent être situés loin, mais l'inductance planaire des avions de puissance est également très faible (le courant est moins concentré que lorsqu'il circule dans une trace). Donc, ils ont tous une contribution positive, malgré l'inductance sur le chemin.

C'est la raison pour laquelle les billes de ferrite ne sont pas recommandées dans les circuits à haute fréquence et à courant élevé (par exemple les processeurs numériques), car chaque centaine de mOhm d'impédance PDN supplémentaire peut être critique.

Sommaire

Une perle de ferrite peut être utile pour bloquer efficacement le bruit externe (ou vice versa, le bruit de la puce) avec une certaine plage de fréquences, tout en fournissant une connexion CC (pour charger le capuchon de dérivation). Une bille peut avoir une résistance CC substantielle produisant une chute de tension CC. Une perle augmente l'impédance PDN globale (je suppose, à toutes les fréquences), ce qui pourrait être indésirable aux hautes fréquences, où les condensateurs cessent de bien fonctionner. Le choix du capuchon de dérivation devient primordial. Utilisez toujours des courbes impédance-fréquence pour le condensateur et l'inductance (pas seulement les valeurs simples de L et C).

J'éviterais l'agencement de droite car il est plus susceptible d'entraîner un comportement résonnant indésirable (mesuré à Vout) à certaines fréquences.

Cela peut être utile.