Ferritperlenposition

Ich möchte eine zusätzliche Netzteilfilterung für meine DAC-, ADC-, CPLD- und OpAmp-Geräte verwenden. In dieser Frage ging es um die globalen Standorte für Ferritperlen. Wenn ich das richtig verstanden habe, sollte die Ferritperle in der Nähe des Geräts platziert werden, unabhängig davon, ob es sich um ein geräuscherzeugendes oder geräuschempfindliches Gerät handelt. Bitte korrigieren Sie mich, wenn es sich nicht um einen allgemeinen Fall handelt. Ich habe einige Beispielschemata gesehen, in denen die Perlen vor oder innerhalb der Bypass-Kappenschaltung platziert sind:

Anmerkung zum Bild: Stromquelle ist Vin, Chip ist Vout

Gibt es einen signifikanten Unterschied zwischen den beiden oben genannten Ansätzen?

Ich recherchiere nach Informationen zu Entkopplungskondensatoren und habe Informationen zu Ferritperlen von TI gefunden :

Ferritperlen sind sehr nützliche Werkzeuge für Ihr Schaltungsdesign. Sie sind jedoch nicht für alle Stromschienen geeignet. Ferritperlen absorbieren hochfrequente Transienten effektiv, indem sie ihren Widerstand bei höheren Frequenzen erhöhen. Dies macht sie sehr gut, um zu verhindern, dass Stromversorgungsstörungen zu empfindlichen Schaltungsabschnitten gelangen, macht sie jedoch auch zu einer sehr schlechten Idee für die digitale Hauptstromversorgung.

Wann man sie benutzt:

Verwenden Sie sie auf Strombahnen in Serie mit analogen Schaltungsteilen wie Composite-Video oder PLLs. Diese Kügelchen schalten den Stromfluss in Zeiten hoher Rauschspitzen effektiv ab, sodass der Strom nur aus den nachgeschalteten Entkopplungskondensatoren entnommen werden kann. Dies verringert das Rauschen empfindlicher Schaltungsabschnitte erheblich.

Wie man sie benutzt:

Zwischen zwei Kondensatoren zur Erdung sollten Ferritperlen verwendet werden. Dies bildet einen Pi-Filter und reduziert das Rauschen für die Versorgung erheblich. In der Praxis sollte der Kondensator auf der Chip-Seite so nah wie möglich an der Chip-Versorgungskugel platziert werden. Die Platzierung der Ferritperlen und des Eingangskondensators ist nicht so entscheidend.

Wenn nicht genügend Platz für zwei Kondensatoren vorhanden ist, um ein Pi-Filter zu bilden, löschen Sie am besten den Eingangskondensator. Der chip-seitige Kondensator sollte immer vorhanden sein. Dies ist sehr wichtig. Andernfalls kann der erhöhte Hochfrequenzwiderstand der Ferritperlen die Situation eher verschlechtern als verbessern, da auf der Chipseite ein lokaler Energiespeicher vorhanden ist und daher keine Möglichkeit besteht, die hohen Spitzenleistungsimpulse auf den Chip zu bringen, die er so dringend benötigt.

Wann man sie nicht benutzt:

Die oben genannten Ferritmerkmale sind sehr praktisch für Schaltungsabschnitte, die gleichmäßig und beständig Strom ziehen, aber dieselben Merkmale machen sie für digitale Leistungsabschnitte ungeeignet. Digitale Prozessoren benötigen einen hohen Spitzenstrom, da die meisten internen Transistoren, die schalten, bei jeder Taktflanke auf einmal alle Anforderungen erfüllen. Ferritperlen lassen (per Definition) keinen Strom durch sie fließen, da die digitale Prozessorlogik hohe Rampenraten erfordert. Dies macht sie perfekt für die Rauschfilterung bei analogen (wie PLL) Netzteilen.

Da der gesamte Strombedarf im digitalen System sofort (hochfrequent) ist, blockieren Ferritperlen die digitale Versorgung während der Spitzen, anstatt langsam und stetig zu sein. Theoretisch liefern die Überbrückungskondensatoren auf der Prozessorseite der Kugel den Spitzenstrom und füllen die durch die Ferrite verursachten Lücken, bis sie nach dem Überschreiten der Spitze aufgeladen wurden, aber in Wirklichkeit ist die Impedanz selbst der besten Kondensatoren zu hoch über etwa 200 MHz, um genügend Spitzenleistung für den Prozessor bereitzustellen. In Systemen ohne Ferrite kann die planare Kapazität dazu beitragen, diese Lücke zu füllen. Wenn jedoch ein Ferrit verwendet wird, wird dieser zwischen die Ebenen und den Leistungsstift eingefügt, sodass die Vorteile der planaren Kapazität verloren gehen. Dies verursacht einen großen augenblicklichen Spannungsabfall in dem Zeitraum, in dem der Prozessor ihn am meisten benötigt. Verursacht logische Fehler und seltsames Verhalten, wenn nicht sofort abstürzt. Dies kann durch eine ordnungsgemäße Auslegung vermieden werden, wenn dies für Ihr System erforderlich ist (z. B. zur EMI-Reduzierung). Dies würde jedoch den Rahmen dieses Hinweises sprengen.

Ich glaube, Sie sollten untersuchen, wie Ihr Schaltstromspektrum aussieht. Wenn Ihre digitalen Schaltungen große Stromstöße erfordern, sollten Sie keine Ferritperlen verwenden.

Ich bin derzeit der Meinung, dass die Ferritperle in bestimmten, sehr spezifischen Anwendungen nützlich ist, aber sie wird meistens großzügig als Pflaster verwendet, wenn Probleme auftreten, die durch Untersuchen des Stromversorgungsnetzwerks gelöst werden sollten.

Während es schön wäre, einige Grafiken oder andere Daten zu sehen, klingt das, was ich hier von TI lese, plausibel. Was haltet ihr davon?

Mein Board wird Spannungsverdoppler / -inverter wie den ADM660 und einen Mikrocontroller enthalten, der zwei phasenverschobene 5-kHz-5-V-TTls erzeugt, um den EM-Spiegel anzusteuern. Wenn mein Kopfhörerkabel die Platine berührt, kann ich das Klingeln in meinen Kopfhörern hören. Daher denke ich, dass solche Geräusche andere ADCs, DACs, OpAmps und CPLDs beeinflussen werden, die sich auf dem Board befinden. Ich dachte, eine Ferritperle auf jede Stromversorgungsleitung zu setzen, würde gut tun. Welche Art von Ferritperlen eignet sich am besten für 10-MHz-Rechteckwellen-TTL?

Ich möchte Sie dringend bitten, dieses Dokument zu lesen . Einige der hervorstechenden Punkte, die ich unten notiert habe:

Zusammenfassung - wahrscheinlich am besten keine Ferritperlen verwenden, da diese erst oberhalb von 30 MHz ihre Wirkung entfalten.

Grundsätzlich denke ich, dass einige der Probleme, die Sie möglicherweise lösen möchten, am besten in der "Induktor" -Arena verbleiben, während die 10-MHz-Quadratwelle (und vor allem ihre Harmonischen) möglicherweise mithilfe von Ferritperlen behandelt werden kann.

Generell rate ich jedoch dazu, Erdungsebenen zu verwenden, gefolgt von einer sehr guten Kondensatorentkopplung bei allen Chip-Netzteilen, und wenn Sie kleine Widerstände verwenden können, um gefährdete Stellen mit Strom zu versorgen (möglicherweise 1 Ohm bis 10 Ohm). Wenn dies nicht erfolgreich ist, möchte ich wissen, warum und möglicherweise die Erdung und Entkopplung verbessert werden muss, bevor Induktivitäten eingesetzt werden und bevor Ferritperlen in Betracht gezogen werden.

Ich bin mit Spehro nicht einverstanden - das richtige Bild ist viel besser, dh weniger resonant. In der Schaltung auf der linken Seite wird "Antiresonanz" angezeigt. Bei einer bestimmten Frequenz im 100-MHz-Bereich sieht die 10-uF-Kappe wie eine Induktivität aus, während der 0,1-uF-Kondensator immer noch wie ein Kondensator aussieht, sodass sich beide verhalten wie ein LC-Tankkreis. Bei dieser Frequenz wird dieser Tankstromkreis keinen Strom aufnehmen oder abgeben, sondern ihn nur wie so viel Mundwasser hin- und herbewegen, und so haben die beiden Kappen zusammen eine sehr hohe Impedanz, was sie zum Entkoppeln mies macht.

Als allgemeine Faustregel ist es eine schlechte Idee, zwei Keramikkappen auf derselben Schiene zu haben, die sich in der Kapazität stark unterscheiden, ohne dass auch andere Werte dazwischen vorhanden sind. (Sie können z. B. eine .1uF- und .68uF-, 2.2uF- und 10uF-Datei auf derselben Schiene platzieren, aber wenn Sie nur .1uF- und 10uF-Dateien haben, können Probleme auftreten.)

In der Abbildung rechts befindet sich ein Ferrit zwischen den nicht übereinstimmenden Kondensatoren, wodurch der LC-Tankkreis mit einem Widerstand gedämpft wird (da Ferrite über 100 MHz resistiv und nicht induktiv sind). Auf diese Weise wird verhindert, dass sich die Kappen gegenseitig stören.

Eine andere Lösung wäre die Verwendung einer Tantal- oder Elektrolytkappe für den 10uF, da der eingebaute ESR-Widerstand auch den Tankkreislauf dämpfen würde (eine solche Kappe wäre jedoch für die Filterung von Hochfrequenzgeräuschen unbrauchbar).

All dies geht aus einem wirklich nützlichen Anwendungsbericht von Murata hervor .

Dort finden sich viele raffinierte Kombinationen von Ferriten, Induktivitäten und Kappen zur Entkopplung.

Beide Setups funktionieren möglicherweise. Was besser ist, hängt von den Kondensatorwerten, deren ESLs und dem nachgeschalteten Stromversorgungsnetz ab.

Im linken Setup sollte der PDN einen niederohmigen Pfad bei niedrigeren Frequenzen bereitstellen. Dies ist die Voraussetzung, damit dieses Setup funktioniert.

Der potenzielle Vorteil der Parallelschaltung zweier Kondensatoren ist die niedrigere Leistungsimpedanz in einem breiteren Bereich (vorausgesetzt, 0,1 uF und 10 uF decken unterschiedliche Frequenzbereiche ab). Bezüglich der berüchtigten Antiresonanz der beiden Kondensatoren schauen Sie sich die Impedanzfrequenzkurven an. Die Situation ist, wenn ein Kondensator immer noch ein Kondensator und ein anderer eine Induktivität ist. Dies sollte nicht der Fall sein. Die Antwort von Spehro macht also auch Sinn.

Was das richtige Setup angeht, könnte es auch funktionieren. Beachten Sie jedoch, dass C1 der einzige ist, der Strom liefert, wenn der Wulst geschlossen ist - daher ist seine Verantwortung immens. Der linke größere Kondensator wird möglicherweise nicht in unmittelbarer Nähe benötigt (wie vom Bild angenommen, denke ich). Wenn sich die Kugel früh schließt (z. B. in Einheiten von MHz oder einigen zehn MHz), sollte sie einen niederohmigen Pfad bei Frequenzen von kHz (oder Einheiten von MHz) bereitstellen, bei denen die Standortanforderungen gelockert sind (da die Lichtwellenlänge in der Größenordnung von zehn Metern liegt) bei diesen Frequenzen). Aber es kommt darauf an.

Blinddarm

Nachfolgend einige allgemeine Überlegungen zu Ferritperlen, die interessant sein könnten.

Betrachten Sie der Einfachheit halber den Aufbau mit nur einem Kondensator. Der Hauptzweck des zweiten Kondensators im pi-Aufbau besteht darin, eine niedrige Impedanz für die Leistung bei niedrigeren Frequenzen bereitzustellen:

Kapazitätswert erforderlich

Murata's Application Note , Seite 11, sagt

Ich denke, die Art und Weise, wie die Formel abgeleitet wurde, war wie folgt. Sie nahmen an, dass die Reaktanz der Induktivität und des Kondensators gleich (Lw = 1 / cw) ist, berechnete Frequenz, ausgedrückt als Frequenz Zt, um die Gleichung zu erhalten. Dies ist im Allgemeinen nicht korrekt. Erstens ist die Impedanz eines Kondensators im Allgemeinen nicht gleich 1 / Cw, insbesondere bei hohen Frequenzen, bei denen ESL dominiert. Zweitens sollte die Impedanz des Kondensators viel (Größenordnungen) kleiner sein als die Impedanz des Induktors, nicht nur kleiner (2x oder 3x kleiner würde nicht funktionieren).

Der richtige Weg wäre, die Impedanz-Frequenz-Kurven des Kondensators und der Induktivität zu vergleichen (im Idealfall unter Berücksichtigung der verwendeten DC-Vorspannung) und sicherzustellen, dass die Impedanz des Kondensators viel kleiner ist als die Impedanz der Induktivität, wo sie sein muss . Es wird nicht einfach irgendein Kapazitätswert benötigt. Der erforderliche Wert der Impedanz des Kondensators (bei einer bestimmten Frequenz) kann als DeltaV / Strom berechnet werden, wobei DeltaV eine zulässige Spannungsschwankung ist und Strom die Stromamplitude bei dieser Frequenz ist.

Betrieb einer Ferritperle

Betrachten wir als Beispiel diese Perle BLM03AX241SN1 :

Die typische Impedanz eines Stromversorgungsnetzwerks (PDN) in Leiterplatten mit Stromversorgungs- / Masseebenen liegt zwischen Hunderten mOhm und Einheiten von Ohm. Die Perle ist also quasi eine offene Verbindung (Widerstand ~ 100 Ohm) ab mehreren MHz.

Dies bedeutet, dass der gesamte PDN vom Chip abgeschnitten ist. Alle Hoffnung ist für den Kondensator. Somit wird die Wichtigkeit des Kondensators , wenn eine Ferritperle verwendet wird, von größter Bedeutung. Ein nicht richtig gewählter Kondensator würde den Chip funktionsunfähig machen. Eine falsch gewählte Bypasskappe wäre kein solches Problem, wenn eine Perle aufgrund der Wirkung anderer Kondensatoren (parallel) nicht verwendet wird.

IR-Abfall bei niedrigen Frequenzen

Ferritperlen zur Leistungsfilterung sind normalerweise als Induktivitäten mit niedrigem Q-Wert ausgelegt , um parasitäre Resonanzen zu verhindern. Somit wird der Gleichstromwiderstand von Ferritperlen absichtlich hoch gemacht. Oft sind es etwa 500 mOhm oder sogar mehrere Ohm. Wählen Sie eine Perle mit einem geeigneten Gleichstromwiderstand (es gibt spezielle Serien für Stromleitungen mit relativ geringem Gleichstromwiderstand). Stellen Sie sicher, dass Sie einen IR-Abfall tolerieren können, wenn Sie Ihren Gleichstrom verwenden (z. B. 10 mA bei 500 mOhm ergeben einen Abfall von 5 mV).

Hohe Frequenzen (> 500 MHz)

Induktor ist offen. Die Impedanz des Kondensators wäre wahrscheinlich relativ hoch (~ 500 mOhm oder sogar Ohm).

Ohne die Perle funktionieren andere Kondensatoren auf der Platine sowie die planare Kapazität der Leistungsebenen für uns. Und sie sind alle parallel zum Bypass-Kondensator und verringern die PDN-Impedanz. Ja, andere Kondensatoren sind möglicherweise weit entfernt, aber die planare Induktivität der Leistungsebenen ist ebenfalls sehr gering (der Strom ist weniger konzentriert als wenn er in einer Spur fließt). Sie haben also alle einen positiven Eingang, trotz Induktivität auf dem Weg zu ihnen.

Dies ist der Grund, warum Ferritperlen in Hochfrequenz-Hochstromkreisen (z. B. digitalen Prozessoren) nicht empfohlen werden, da alle 100 mOhm zusätzliche PDN-Impedanz kritisch sein kann.

Zusammenfassung

Eine Ferritperle kann nützlich sein, um externes Rauschen (oder umgekehrt, Rauschen vom Chip) in einem bestimmten Frequenzbereich effektiv zu blockieren, während eine Gleichstromverbindung bereitgestellt wird (um die Bypass-Kappe aufzuladen). Eine Perle kann einen erheblichen Gleichstromwiderstand aufweisen, der einen Gleichstromspannungsabfall erzeugt. Eine Perle erhöht die Gesamt-PDN-Impedanz (ich denke, bei allen Frequenzen), was bei hohen Frequenzen, bei denen Kondensatoren nicht mehr richtig funktionieren, unerwünscht sein kann. Die Wahl der Bypass-Kappe ist von größter Bedeutung. Verwenden Sie immer Impedanz-Frequenz-Kurven sowohl für den Kondensator als auch für die Induktivität (nicht nur einfache Werte für L und C).

Ich würde die Anordnung auf der rechten Seite vermeiden, da es bei einigen Frequenzen wahrscheinlicher ist, dass es zu unerwünschtem Resonanzverhalten (gemessen bei Vout) kommt.

Dies kann nützlich sein.