Чистое питание для каждой микросхемы, часть 4: выбор и использование ферритовых бусин
Используйте ферритовые бусины, чтобы улучшить качество питания на вашей печатной плате.
Проверка спецификаций
В предыдущей статье обсуждалось важность тщательного рассмотрения характеристик импеданса в зависимости от частоты при выборе ферритовой бусины: по возможности целевые шумовые частоты должны попадать в «резистивный диапазон», что означает диапазон частот, в которых активный импеданс доминирует над реактивным импедансом. Это фундаментальный аспект максимизации способности вашей бусины подавлять шум, но есть и другие характеристики, которые необходимо учитывать, а именно: сопротивление по постоянному току и номинальный ток.
В отличие от блокировочных конденсаторов, ферритовые бусины используются последовательно с линией питания, что означает, что любой постоянный ток, протекающий через бусину, создаст падение напряжения, пропорциональное сопротивлению по постоянному току.
Примечание: для представления ферритовых бусин на схемах используется несколько различных условных графических обозначений. Показанное здесь не является «официальным» обозначением IEEE, но помогает нам оставаться в курсе функционального сходства между бусиной и катушкой индуктивности.
Сопротивление бусины по постоянному току (для типовых компонентов поверхностного монтажа оно намного меньше одного ома) редко бывает проблемой для маломощных микросхем. Но именно здесь вы можете столкнуться с проблемой: если вы не проверяете спецификацию сопротивления по постоянному току, или если у вас есть привычка ставить одну и ту же ферритовую бусину перед каждой микросхемой, вы можете не заметить, что какое-то непривычное мощное устройство может потреблять ток, достаточный, чтобы вызвать проблему. Представьте себе, например, что вы выбрали компонент с довольно высоким сопротивлением по постоянному току, скажем, 0,7 Ом, и что вы используете одну бусину для фильтрации питания на 1,1В, подключенного к нескольким питающим выводам высокопроизводительного сигнального процессора. Возможно, во время нормальной работы всё хорошо, но если процессор входит в период интенсивной вычислительной активности и потребляет через бусину 400 мА, то ваше питание 1,1В просто уменьшится до 0,82В. Это временное, зависящее от работы отклонение источника питания может привести к периодическим отказам, что, как известно, трудно диагностировать.
Номинальный ток не так прост, как кажется. Действительно, если ток установившегося состояния через бусину 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 график ухудшения характеристики компонента от Wurth, обсуждавшегося в предыдущей статье. Крутой спад, начинающийся с 85°C, должен совершенно ясно показать, что вам нужно очень тщательно выбирать ферритовые бусины, если ваша система будет подвергаться воздействию высоких температур. Во-вторых, постоянные токи значительно ниже указанного максимума могут ухудшить эффективность бусины, потому что ферритовый материал становится «насыщенным». Насыщенность феррита уменьшает пиковый импеданс бусины 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 вашей бусины не менее чем на 50% (предпочтительнее на 100%) выше ожидаемого вами максимального тока.
Резонанс: уменьшен, но не устранен
В предыдущей статье мы обсудили преимущества ферритовых бусин, поскольку 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 со стоящими рядом конденсаторами, поэтому мы не можем просто забыть о резонансе. Напомним, что LC-цепь будет резонировать на следующей частоте:
\[f_р = {1 \over 2\pi\sqrt{LC} }\]
Это говорит о том, что резонансная частота уменьшается по мере увеличения емкости. Следовательно, большее количество емкости вблизи ферритовой бусины увеличивает вероятность того, что бусина будет преимущественно индуктивной на этой резонансной частоте.
Обычно вам не нужно много волноваться об этой проблеме резонанса – большинство блокировочных конденсаторов малы (а именно 0,1 мкФ), паразитные сопротивления помогают ослабить любой звон, который может появиться, и часто схема не генерирует значительной энергии шума на более низких частотах, которые попадают в полосу реактивного доминирования в ферритовой бусине. Тем не менее, если вы используете ферритовые бусины в сочетании с относительно большими (например, выше 10 мкФ) блокировочными конденсаторами, вы можете захотеть быстро провести моделирование и проверить некоторые сигналы, чтобы посмотреть, есть ли какой-либо звон. Если что-то обнаружится, попробуйте найти ферритовую бусину, которая проявляет более резистивный импеданс в проблемной полосе частот. В качестве альтернативы, если падение напряжения не вызывает проблем, вы можете уменьшить добротность резонансного контура и тем самым подавить звон, вставив последовательно небольшой резистор вблизи питающего вывода микросхемы:
«FBC» фильтр
Теперь мы готовы обсудить три общих способа, с помощью которых ваши схемы могут извлечь выгоду из стратегически выбранной ферритовой бусины. Первый способ уже представлен в двух приведенных выше схемах: ферритовая бусина может быть объединена с блокировочным конденсатором, чтобы сформировать эквивалент стандартного LC фильтра нижних частот. Этот «FBC» фильтр теоретически приближается к двухполюсному отклику LC фильтра в индуктивной полосе частот ферритовой бусины, а затем переходит в однополюсный отклик RC фильтра, когда активный импеданс начинает доминировать над реактивным импедансом. В этом есть определенная элегантность: спад АЧХ круче на более низких частотах, где резонанс менее опасен, а высокочастотный сигнал подавляется резистивными свойствами бусины.
На этом этапе мы должны указать хороший способ саботировать вашу микросхему, а именно, используя ферритовую бусину без конденсатора между питающим выводом и землей:
Как обсуждалось в первой статье из этой серии, цифровые микросхемы (и, в меньшей степени, аналоговые микросхемы) должны иметь возможность потреблять быстрые всплески тока с шины питания. Блокировочный конденсатор с низкими ESR и ESL, расположенный рядом с питающим выводом, обеспечивает этот ток. Теперь напомним, что катушка индуктивности (и, в свою очередь, ферритовая бусина) выступают против изменений тока. Это означает, что ферритовая бусина, используемая в двух приведенных выше неправильных конфигурациях, блокирует переходной ток, необходимый для микросхемы. Следовательно, вам нужен конденсатор, расположенный «снизу по течению» от ферритовой бусины, так, чтобы ток мог поступать непосредственно из конденсатора (т.е. без протекания через бусину).
FBC фильтр нижних частот потенциально полезен для любой микросхемы, которая особенно чувствительна к высокочастотному шуму на линии питания. Но обратите внимание на что-то еще: ферритовая бусина будет также формировать FBC фильтр с любой емкостью на другой стороне бусины, включая блокировочные конденсаторы, подключенные к другим микросхемам на той же шине питания. Таким образом, ферритовые бусины помогают подавлять не только шум, поступающий на микросхему, но и шум, выходящий из микросхемы. Это означает, что ферритовые бусины особенно ценны для развязки на печатных платах с несколькими цифровыми компонентами, поскольку они имеют тенденцию изолировать каждую микросхему от шума, создаваемого всеми другими микросхемами.
Питание схем смешанных сигналов
Обычно предпочтительнее подавать аналоговое и цифровое питание на микросхему смешанных сигналов по отдельности, создавая отдельные напряжения питания на двух линейных стабилизаторах. Но если этот подход неосуществим, возможно, из-за ограниченности места на плате, для обеспечения некоторой шумоизоляции вы можете использовать ферритовую бусину, а именно:
Подавление шума источника
Еще один момент, когда стоит рассмотреть ферритовые бусины, это когда вы предпочтете использовать один фильтр в 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 ферритовая бусина с конденсаторами с обеих сторон; в идеале техническое описание преобразователя постоянного напряжения предоставит руководство со значениями номиналов компонентов и другими подробностями. Например, Linear Technology рекомендует следующее для LTC1551, который является инвертирующим зарядным стабилизатором:
В техническом описании утверждается, что с помощью этого простого фильтра выходной шум может быть уменьшен до 1 мВ(пик-пик).
Несмотря на то, что ферритовые бусины будут в основном индуктивными на относительно низких частотах, используемыми зарядными и импульсными регуляторами, резистивный импеданс поможет уменьшить шум, связанный с высокочастотными гармониками.
Резюме
Ферритовые бусины обеспечивают дополнительную фильтрацию и изолирование, которые могут быть полезны в шумных цифровых средах, или когда необходимо защитить чувствительные к шуму аналоговые компоненты. По возможности выбирайте бусину, которая будет в основном резистивной на частотах доминирующего шума, и не забудьте проверить сопротивление по постоянному току и номинальный ток бусины, чтобы избежать проблем, связанных с падением напряжения и насыщением ядра.