Чистое питание для каждой микросхемы, часть 3: понятие ферритовых бусин
Ферритовые бусины, используемые в сочетании с блокировочными конденсаторами, могут обеспечить улучшенную фильтрацию и развязку питания.
Если емкости недостаточно
Предыдущую статью мы закончили сокращенным набором рекомендаций для правильного проектирования и разводки цепи блокировки источников питания, которая будет хранить достаточный заряд для продолжительных отклонений электропитания и иметь низкий импеданс для преобладающих частот шума. Вы можете быть уверены, что этот подход будет более чем достаточным для большинства проектов.
Тем не менее, успех подхода, основанного только на конденсаторах, не означает, что нет возможности для улучшения, и именно здесь вступает в игру менее известный компонент развязки. Если вы чувствуете, что какие-то микросхемы вашей схемы особенно чувствительны к шуму (и поэтому нуждаются в дополнительной фильтрации) или особенно шумят (и поэтому нуждаются в дополнительной развязке от шины питания), вам следует рассмотреть чудесный мир ферритовых бусин.
Что в бусине?
Простейшей формой ферритовой бусины является проводящий провод, вставленный через полый кусок керамического материала, известного как феррит.
Электромагнитные свойства феррита позволяют материалу влиять на ток, протекающий через проводник. Точная природа этого влияния частично зависит от типа феррита (например, марганец-цинк или никель-цинк), а свойства конкретного ферритового материала могут быть дополнительно уточнены в процессе производства. Во многих ферритовых бусинах поверхностного монтажа проводник оформляется в виде катушке, причем отдельные витки накладываются между ферритовыми листами. Таким образом, электрические характеристики также зависят от деталей конструкции намотки.
Ферритовые бусины можно разделить на две общие категории: бусины с высокой добротностью (Q) (или резонансные) и бусины с низкой добротностью (Q) (или нерезонансные). Бусины с высокой добротностью предназначены для приложений, требующих высокого уровня резонанса, таких как генераторы и специализированные фильтры. Однако в контексте фильтрации питания нам необходимо свести резонанс к минимуму (как обсуждается в данной статье далее), поэтому бусины с высокой добротностью отбрасываем. В оставшейся части статьи любое упоминание ферритовых бусин относится к бусинам с низкой добротностью.
Это не индуктивность, не конденсатор, не резистор...
В нашей попытке разобраться с ферритовыми бусинами мы можем начать с рассмотрения эквивалентной схемы первого порядка, а затем перевести эту эквивалентную схему в общий график зависимости импеданса от частоты.
Индуктивность помещается в центр в качестве напоминания о том, что преобладающая реакция ферритовой бусины является индуктивной, т.е. по мере увеличения частоты увеличивается и импеданс. Однако в какой-то момент (обычно где-то между 30 и 500 МГц) параллельная емкость начинает доминировать над индуктивностью, и при увеличении частоты импеданс уменьшается. Относительно небольшое параллельное сопротивление (скажем, порядка 100 Ом) уменьшает резонанс, связанный с конденсатором и индуктивностью, поэтому импеданс выравнивается в точке перехода, а не достигает всплеска как при высокой добротности. Это поведение отчетливо видно на следующем графике, показывающем измеренные характеристики импеданса стандартной ферритовой бусины SMD производства Wurth Electronics.
Черная линия показывает общий импеданс, который (хотя это и не показано на графике) начинается с Rпосл, иначе называемого сопротивлением бусины по постоянному току. Затем он линейно увеличивается на продолжении индуктивного частотного диапазона, выравнивается на 300 МГц, а затем уменьшается до выравнивания на 1,1 ГГц.
Красные и синие пунктирные линии показывают, что общий импеданс является результатом двух отдельных элементов, а именно реактивного сопротивления индуктивности (XL) и частотно-зависимого активного сопротивления (R). Это поднимает важный момент: эквивалентная схема, приведенная выше, разработана для моделирования частотного поведения бусины – она не передает внутреннюю структуру бусины. Эквивалентная модель полезна для понимания того, как импеданс ферритовой бусины изменяется с частотой, и для моделирования, но в первую очередь свойства импеданса компонента определяет сам ферритовый материал. Это важно понимать, потому что эквивалентная схема может отвлечь вас от одной из определяющих характеристик ферритовых бусин: фактически они рассеивают высокочастотную энергию.
Вошел шум, вышло тепло
Напомним, что идеальные индуктивности и конденсаторы не рассеивают никакой энергии; они просто хранят энергию, либо в магнитном поле (индуктивности), либо в электрическом поле (конденсаторы). Резистор, с другой стороны, выводит энергию из схемы и рассеивает ее как тепло. Ферритовые бусины, в отличие от индуктивностей, преднамеренно резистивны на высоких частотах. Вот почему приведенный выше график имеет красную пунктирную линию с надписью «R» – от 100 МГц до 1 ГГЦ бусина демонстрирует значительный активный, а не реактивный импеданс. Фактически некоторые ферритовые бусины и катушки индуктивности с ферритовыми сердечниками практически идентичны по конструкции, за исключением того, что ферритовая бусина использует ферритовый материал с большими «потерями», потому что производитель хочет, чтобы бусина рассеивала, а не хранила высокочастотную энергию.
Но зачем вдаваться в эти ненужные подробности? Мы обратили на них внимание по двум причинам. Во-первых, вы не можете по-настоящему разобраться с ферритовыми бусинами, пока не уделите должное внимание этому фундаментальному различию между катушкой индуктивности и бусиной. Во-вторых, эта характеристика «потерь» делает ферритовую бусину особенно подходящей для подавления шума. Почему? Катушка индуктивности может привести к резонансу и звону, когда энергия высокочастотного шума, накопленная в индуктивности, взаимодействует с емкостью в другой части 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 с резонансом/звоном, и поэтому выбираем ферритовые бусины вместо катушек индуктивности.
Выбирайте внимательно
Ключом к максимизации преимуществ подавления шума ферритовой бусиной является обеспечение того, чтобы целевые частоты шума попадали в резистивный диапазон бусины, то есть ту часть частотной характеристики, где активный импеданс доминирует над реактивным. Это означает, что вы не можете просто взглянуть на основные спецификации, указанные в каталоге или техническом описании. Например, предположим, что вы ожидаете максимум шума на 100 МГц из-за тактового сигнала микропроцессора. Описание из каталога для компонента Wurth, рассмотренного выше, следующее:
И среди спецификаций вы увидите следующее:
На основе этой информации вы можете предположить, что резистивный диапазон бусины включает в себя 100 МГц. В этом случае вы будете правы – как показано на графике частотной характеристики, эта конкретная бусина входит в резистивное состояние примерно на 80 МГц.
Тем не менее, на частоте 100 МГц по-прежнему присутствует значительное индуктивное реактивное сопротивление, и очевидно, что бусина обеспечит максимальную эффективность при шумах на частотах около 300 МГц.
Теперь, допустим, вы подумали о компоненте с номером MMZ1608D121CTAH0 от TDK. Описание и спецификация импеданса у него следующие:
Если вы снова предположите, что бусина на частоте 100 МГц преимущественно резистивна, то столкнетесь с небольшими проблемами:
График показывает, что 100 МГц всё еще далеко внутри индуктивного участка кривой импеданса бусины. Основываясь на точке, в которой кривая начинает выравниваться, резистивный диапазон начинается примерно на 500 МГц, и бусина не достигает своей оптимальной шумовой частоты до 700 МГц. Поэтому, если вы выберете эту бусину, то не только пониженный импеданс на целевой частоте шума, но и тип импеданса (а именно реактивный) могут сделать вашу схему более восприимчивой к звону или даже привести к сильным колебаниям на шине питания.
Резюме
В данной статье мы рассмотрели некоторые существенные физические и электрические характеристики ферритовых бусин и увидели, что эти компоненты могут быть особенно эффективными в улучшении качества питания, когда они используются для подавления шумовых частот, попадающих в их диапазон с доминирующим активным импедансом. В следующей статье мы обсудим конкретные методы включения ферритовых бусин в цепи блокировки/обхода источников питания.