ตำแหน่งเฟอร์ไรต์ลูกปัด

ฉันต้องการใช้การกรองแหล่งจ่ายไฟพิเศษสำหรับอุปกรณ์ DAC, ADC, CPLD และ OpAmp ของฉัน ในคำถามนี้ฉันได้จุดเกี่ยวกับที่ตั้งทั่วโลกสำหรับลูกปัดเฟอร์ไรต์ หากฉันเข้าใจอย่างถูกต้องลูกปัดเฟอร์ไรต์ควรอยู่ใกล้กับอุปกรณ์โดยไม่คำนึงว่าเป็นอุปกรณ์ที่สร้างเสียงรบกวนหรือมีความไวต่อเสียงรบกวน โปรดแก้ไขฉันหากไม่ใช่กรณีทั่วไป ฉันเห็นตัวอย่างแผนงานที่ลูกปัดวางไว้ก่อนหรือภายในวงจรหมวกบายพาส:

หมายเหตุถึงรูป: แหล่งพลังงานคือ Vin, Chip คือ Vout

มีความแตกต่างที่สำคัญระหว่างสองแนวทางข้างต้นหรือไม่?

ฉันกำลังค้นคว้าข้อมูลเกี่ยวกับตัวเก็บประจุตัวแยกสัญญาณและพบข้อมูลเกี่ยวกับเม็ดเฟอร์ไรต์จากTI :

ลูกปัดเฟอร์ไรต์เป็นเครื่องมือที่มีประโยชน์มากในคลังแสงการออกแบบวงจรของคุณ อย่างไรก็ตามมันไม่ใช่ความคิดที่ดีสำหรับรางไฟของวงจรทั้งหมด ลูกปัดเฟอร์ไรต์สามารถดูดซับคลื่นความถี่สูงได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการเพิ่มความต้านทานที่ความถี่สูงขึ้น สิ่งนี้ทำให้พวกเขาดีมากในการป้องกันเสียงรบกวนของแหล่งจ่ายไฟจาก getitng ไปยังส่วนที่มีความละเอียดอ่อนของวงจรอย่างไรก็ตามมันยังทำให้พวกเขาเป็นความคิดที่แย่มากสำหรับพลังงานดิจิตอลหลัก

ควรใช้เมื่อใด:

ใช้พวกเขาในการติดตามพลังงานในซีรีส์ที่มีส่วนวงจรแบบอะนาล็อกเช่นวิดีโอคอมโพสิตหรือ PLL เม็ดบีดเหล่านี้จะปิดการไหลของพลังงานอย่างมีประสิทธิภาพในช่วงเวลาที่มีสัญญาณรบกวนสูงทำให้สามารถดึงพลังงานจากตัวเก็บประจุแบบแยกตัวที่อยู่ด้านล่าง สิ่งนี้จะตัดเสียงรบกวนไปยังส่วนของวงจรที่ละเอียดอ่อนอย่างมาก

วิธีใช้งาน:

ลูกปัดเฟอร์ไรต์ควรใช้ระหว่างตัวเก็บประจุสองตัวกับพื้น รูปแบบนี้เป็นตัวกรอง Pi และลดปริมาณของเสียงรบกวนไปยังแหล่งจ่ายอย่างมาก ในทางปฏิบัติควรวางตัวเก็บประจุที่ฝั่งชิปให้ใกล้กับลูกจ่ายชิปมากที่สุด การจัดวางเฟอร์ไรต์บีดและตัวเก็บประจุอินพุตไม่สำคัญอย่างยิ่ง

หากไม่มีที่ว่างสำหรับตัวเก็บประจุสองตัวเพื่อสร้างตัวกรอง Pi สิ่งที่ดีที่สุดถัดไปคือการลบตัวเก็บประจุอินพุต ตัวเก็บประจุด้านชิปควรอยู่ที่นั่นเสมอ สิ่งนี้สำคัญมาก ไม่เช่นนั้นเม็ดเฟอร์ไรต์จะเพิ่มความต้านทานความถี่สูงอาจทำให้สิ่งต่าง ๆ แย่ลงแทนที่จะดีกว่าเนื่องจากจะมีที่เก็บพลังงานในตัวชิปดังนั้นจึงไม่มีวิธีใดที่จะได้พลังงานพัคสูงสูงสุดไปยังชิปที่ต้องการอย่างยิ่ง

เมื่อไม่ใช้พวกเขา:

คุณสมบัติของเฟอร์ไรต์ด้านบนนั้นมีประโยชน์มากสำหรับส่วนของวงจรที่ดึงพลังงานได้อย่างสม่ำเสมอและสม่ำเสมอ แต่คุณสมบัติเดียวกันทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับส่วนของพลังงานดิจิทัล โปรเซสเซอร์ดิจิตอลต้องการกระแสสูงสุดสูงเนื่องจากทรานซิสเตอร์ภายในส่วนใหญ่ที่สวิตช์กำลังสลับกับขอบนาฬิกาแต่ละตัวความต้องการทั้งหมดจะเกิดขึ้นพร้อมกัน ลูกปัดเฟอร์ไรต์ (ตามคำจำกัดความ) จะไม่ยอมให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านพวกเขาด้วยอัตราการเล่นสูงที่ต้องการโดยหน่วยประมวลผลดิจิตอลตรรกะ นี่คือสิ่งที่ทำให้พวกเขาสมบูรณ์แบบสำหรับการกรองสัญญาณรบกวนบนอุปกรณ์อนาล็อก (เช่น PLL)

เนื่องจากความต้องการพลังงานทั้งหมดในระบบดิจิตอลเป็นแบบทันที (ความถี่สูง) แทนที่จะเป็นความต้องการที่ช้าและมั่นคงเม็ดเฟอร์ไรต์จะปิดกั้นการจ่ายไฟฟ้าแบบดิจิทัลในช่วงที่มียอดเขาสูง ในทางทฤษฎีแล้วตัวเก็บประจุบายพาสทางด้านโปรเซสเซอร์ของลูกปัดจะจ่ายกระแสสูงสุดให้เติมลงในช่องว่างที่เกิดจากเฟอร์ไรต์จนกว่าพวกเขาจะถูกตั้งข้อหาหลังจากจุดสูงสุดได้ผ่านไปแล้ว แต่ในความเป็นจริงความต้านทานของตัวเก็บประจุที่ดีที่สุดสูงเกินไป สูงกว่าประมาณ 200 MHz เพื่อจ่ายพลังงานสูงสุดให้โปรเซสเซอร์ ในระบบที่ไม่มีเฟอร์ไรท์ความจุระนาบสามารถช่วยเติมลงในช่องว่างนี้ได้ แต่ถ้าใช้เฟอร์ไรต์มันจะถูกแทรกระหว่างระนาบและพินกำลังไฟดังนั้นประโยชน์ของความจุระนาบจะหายไป สิ่งนี้จะทำให้แรงดันตกทันทีในช่วงเวลาที่โปรเซสเซอร์ต้องการมากที่สุด ก่อให้เกิดข้อผิดพลาดเชิงตรรกะและพฤติกรรมแปลก ๆ ถ้าไม่ล้มเหลวทันที สิ่งนี้สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยการออกแบบที่เหมาะสมหากจำเป็นสำหรับระบบของคุณ (สำหรับการลด EMI เช่น) อย่างไรก็ตามสิ่งนี้อยู่นอกเหนือขอบเขตของบันทึกนี้

ฉันเชื่อว่าคุณควรตรวจสอบว่าสวิตชิ่งปัจจุบันของคุณมีลักษณะอย่างไร หากวงจรดิจิตอลของคุณต้องการกระแสไฟกระแสตรงจำนวนมากคุณไม่ควรใช้เฟอร์ไรต์บีด

ขณะนี้ฉันทราบแล้วว่าเฟอร์ไรท์บีดมีประโยชน์ในบางแอปพลิเคชั่นที่เฉพาะเจาะจงมาก แต่ส่วนใหญ่จะใช้อย่างอิสระเพื่อช่วยเหลือวงดนตรีเมื่อเกิดปัญหาที่ควรแก้ไขโดยการตรวจสอบเครือข่ายการส่งพลังงาน

ในขณะที่มันเป็นเรื่องดีที่ได้เห็นกราฟหรือข้อมูลอื่น ๆ สิ่งที่ฉันอ่านที่นี่จากเสียง TI น่าเชื่อถือ พวกคุณคิดอย่างไรเกี่ยวกับมัน

บอร์ดของฉันจะมีตัวควบคุมแรงดันไฟฟ้าเป็นทวีคูณ / อินเวอร์เตอร์เช่น ADM660 และไมโครคอนโทรลเลอร์ซึ่งจะสร้าง 5kHz 5V ออกจากเฟส 5kHz เพื่อขับเคลื่อนกระจก EM เมื่อลวดของหูฟังแตะที่บอร์ดฉันจะได้ยินเสียงกริ่งในหูฟังของฉัน ดังนั้นฉันคิดว่าเสียงดังกล่าวจะส่งผลกระทบต่อ ADC, DAC, OpAmps, CPLD อื่น ๆ ที่อยู่บนกระดาน ฉันคิดว่าการใส่เฟอร์ไรต์บีดลงบนแต่ละแหล่งจ่ายไฟจะทำได้ดี นอกจากนี้เฟอร์ไรต์ชนิดใดที่ทำงานได้ดีที่สุดสำหรับคลื่นสี่เหลี่ยม 10MHz TTL

ฉันจะขอให้คุณอ่านนี้เอกสาร จุดสำคัญที่ฉันได้กล่าวไว้ด้านล่าง: -

ข้อมูลสรุป - น่าจะดีที่สุดที่จะไม่ใช้เฟอร์ไรต์บีดเพราะพวกเขาเริ่มเข้ามาในตัวเองที่ความเร็วสูงกว่า 30 MHz

โดยทั่วไปฉันคิดว่าปัญหาบางอย่างที่คุณอาจต้องพยายามแก้ไขนั้นดีที่สุดในเวที "inductor" ในขณะที่คลื่น 10MHz sq (และที่สำคัญกว่านั้นคือ harmonics) อาจถูกจัดการโดยการใช้เฟอร์ไรต์บีด

อย่างไรก็ตามคำแนะนำของฉันคือ - ใช้ระนาบกราวด์ตามด้วยตัวเก็บประจุที่ดีมากในการจ่ายพลังงานของชิปทั้งหมดและถ้าคุณสามารถใช้ตัวต้านทานขนาดเล็กกำลังป้อนไปยังสถานที่ที่มีช่องโหว่ (อาจจะ 1 โอห์มถึง 10 โอห์ม) หากสิ่งนี้ไม่ประสบความสำเร็จฉันอยากรู้ว่าทำไมและอาจปรับปรุงการต่อสายดินและการแยกชิ้นส่วนก่อนที่จะแทรกตัวเหนี่ยวนำและแน่นอนก่อนที่จะพิจารณาเม็ดเฟอร์ไรต์

ฉันไม่เห็นด้วยกับ Spehro ภาพที่ถูกต้องดีกว่ามากเช่นเสียงก้องน้อยลง วงจรทางด้านซ้ายจะเห็น "antiresonance" - ที่ความถี่หนึ่งในช่วง 100MHz ฝา 10uF จะเริ่มมีลักษณะเป็นตัวเหนี่ยวนำในขณะที่ตัวเก็บประจุ. 1uF จะยังคงดูเหมือนตัวเก็บประจุทำให้คู่ของพวกเขาทำงาน เหมือนวงจร LC ถัง รอบความถี่นั้นวงจรรถถังนี้จะไม่จมหรือแหล่งกำเนิดกระแสใด ๆ แต่เพียงแค่เหวี่ยงไปมาเหมือนน้ำยาบ้วนปากดังนั้นทั้งสองแคปเข้าด้วยกันจะมีอิมพีแดนซ์ที่สูงมาก

เป็นกฎทั่วไปที่กว้างมากมันเป็นความคิดที่ดีที่จะมีฝาครอบเซรามิกสองอันบนรางเดียวกันที่มีความจุแตกต่างกันอย่างกว้างขวางโดยไม่มีค่าอื่น ๆ อยู่ระหว่างนั้น (ตัวอย่างเช่นคุณสามารถใส่. 1uF และ. 68uF, 2.2uF และ 10uF ทั้งหมดบนรางเดียวกัน แต่ถ้าคุณเพิ่งมี. 1uF และ 10uF คุณอาจมีปัญหา)

รูปด้านขวามีเฟอร์ไรต์ระหว่างตัวเก็บประจุที่ไม่ตรงกันทำให้วงจรของถัง LC มีความต้านทาน (เนื่องจากตัวเฟอร์ไรท์มีความต้านทานสูงกว่า 100MHz ไม่ใช่แบบเหนี่ยวนำ) และสิ่งนี้จะป้องกันไม่ให้แคปแทรกเข้าหากัน

อีกวิธีคือการใช้แทนทาลัมหรืออิเล็กโทรไลต์แคปสำหรับ 10 ยูเอฟเพราะความต้านทาน ESR ในตัวจะทำให้วงจรรถถังชื้นเกินไป (แต่ฝาปิดแบบนี้จะไร้ประโยชน์สำหรับการกรองสัญญาณรบกวนความถี่สูง)

ฉันได้รับทั้งหมดนี้จากที่มีประโยชน์จริงๆโน้ตแอพลิเคชันโดย Murata

สามารถพบเฟอร์ไรท์ตัวเหนี่ยวนำและแคปที่ใช้ในการแยกชิ้นได้มากมาย

การตั้งค่าทั้งสองอาจใช้งานได้ สิ่งที่ดีกว่าถูกควบคุมโดยค่าตัวเก็บประจุ ESL ของพวกเขาและเครือข่ายการส่งกระแสไฟดาวน์สตรีม

ในการตั้งค่าด้านซ้ายมือ PDN ควรให้เส้นทางความต้านทานต่ำที่ความถี่ต่ำ นี่เป็นข้อกำหนดสำหรับการตั้งค่านี้ในการทำงาน

ข้อได้เปรียบที่เป็นไปได้ของการต่อตัวเก็บประจุสองตัวคือความต้านทานพลังงานที่ต่ำกว่าในช่วงที่กว้างขึ้น (สมมติว่า 0.1 uF และ 10 uF ครอบคลุมช่วงความถี่ที่แตกต่างกัน) สำหรับการต่อต้านเสียงสะท้อนที่มีชื่อเสียงของตัวเก็บประจุสองตัว - ดูที่เส้นโค้งความถี่อิมพิแดนซ์ สถานการณ์ที่เกิดขึ้นคือเมื่อตัวเก็บประจุตัวหนึ่งยังคงเป็นตัวเก็บประจุและอีกตัวหนึ่งเป็นตัวเหนี่ยวนำ กรณีนี้ไม่ควรเกิดขึ้น ดังนั้นคำตอบของ Spehro ก็สมเหตุสมผลเช่นกัน

สำหรับการตั้งค่าที่เหมาะสมก็อาจทำงานได้เช่นกัน แต่โปรดทราบว่า C1 เป็นเพียงหนึ่งเดียวที่ให้พลังงานเมื่อปิดลูกปัดดังนั้นความรับผิดชอบจึงมีมาก ตัวเก็บประจุขนาดใหญ่ด้านซ้ายอาจไม่จำเป็นในระยะใกล้ (ตามที่ฉันเดา) หากลูกปัดปิดเร็ว (พูดในหน่วยของ MHz หรือหลายสิบ MHz) ก็ควรให้เส้นทางความต้านทานต่ำที่ความถี่ kHz (หรือหน่วยของ MHz) ที่ความต้องการสถานที่ผ่อนคลาย (เป็นความยาวคลื่นแสงอยู่ในคำสั่งของสิบเมตร ที่ความถี่เหล่านี้) แต่มันก็ขึ้นอยู่กับ

ภาคผนวก

ด้านล่างนี้คือข้อควรพิจารณาทั่วไปสำหรับลูกปัดเฟอร์ไรต์ที่น่าสนใจ

พิจารณาความเรียบง่ายในการตั้งค่าด้วยตัวเก็บประจุเพียงตัวเดียว วัตถุประสงค์หลักของตัวเก็บประจุที่สองในการตั้งค่า pi คือให้ความต้านทานต่ำต่อกำลังงานที่ความถี่ต่ำ:

ต้องการค่าความจุ

บันทึกแอปพลิเคชันของ Murata หน้า 11 กล่าวว่า

ฉันเดาว่าสูตรที่ได้มามีดังนี้ พวกเขาสันนิษฐานปฏิกิริยาของตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุที่เท่ากัน (Lw = 1 / cw) ความถี่ที่คำนวณได้แสดง Zt ในรูปของความถี่เพื่อให้ได้สมการ สิ่งนี้ไม่ถูกต้องโดยทั่วไป ขั้นแรกความต้านทานของตัวเก็บประจุโดยทั่วไปจะไม่เท่ากับ 1 / Cw โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ความถี่สูงที่ ESL มีอิทธิพล ประการที่สองความต้านทานของตัวเก็บประจุควรมีมาก (คำสั่งของขนาด) มีขนาดเล็กกว่าความต้านทานของตัวเหนี่ยวนำไม่เพียงแค่มีขนาดเล็กกว่า (2x หรือ 3x เท่าจะไม่ทำงาน)

วิธีที่ถูกต้องคือการเปรียบเทียบเส้นโค้งความต้านทาน - ความถี่ของตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ (การบัญชีสำหรับ DC bias ที่ใช้อย่างดีเลิศ) และเพื่อให้แน่ใจว่าอิมพิแดนซ์ของตัวเก็บประจุนั้นมีขนาดเล็กกว่ามาก . ไม่เพียงต้องการค่าความจุ ค่าที่ต้องการของอิมพิแดนซ์ของตัวเก็บประจุ (ที่บางความถี่) อาจคำนวณเป็น deltaV / ปัจจุบันโดยที่ deltaV เป็นความผันผวนของแรงดันไฟฟ้าที่อนุญาตและกระแสเป็นแอมพลิจูดกระแสที่ความถี่นี้

การทำงานของเฟอร์ไรต์บีด

ลองพิจารณาตัวอย่างของลูกปัดนี้BLM03AX241SN1 :

ความต้านทานโดยทั่วไปของเครือข่ายการส่งพลังงาน (PDN) ที่เห็นใน PCB พร้อมกับระนาบพลังงาน / กราวด์นั้นมาจากหลายร้อย mOhm ถึงหน่วยของโอห์ม ดังนั้นลูกปัดจึงเป็นการเชื่อมต่อแบบเปิดที่มีประสิทธิภาพ (ความต้านทาน ~ 100 โอห์ม) เริ่มต้นจากหลาย MHz

หมายความว่า PDN ทั้งหมดถูกตัดออกจากชิป ความหวังทั้งหมดสำหรับตัวเก็บประจุ ดังนั้นความสำคัญของตัวเก็บประจุถ้าใช้เฟอร์ไรต์บีดจะกลายเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง ตัวเก็บประจุที่เลือกไม่ถูกต้องจะทำให้ชิปใช้ไม่ได้ ฝาบายพาสที่เลือกไม่ถูกต้องจะไม่เป็นปัญหาหากไม่ใช้เม็ดบีดเนื่องจากการทำงานของตัวเก็บประจุอื่น (แบบขนาน)

IR ลดลงที่ความถี่ต่ำ

ลูกปัดเฟอร์ไรต์สำหรับการกรองพลังงานมักได้รับการออกแบบเป็นตัวเหนี่ยวนำต่ำเพื่อป้องกันการสั่นพ้องของกาฝาก ดังนั้นความต้านทานกระแสตรงของเม็ดเฟอร์ไรต์จึงสูงโดยเจตนา บ่อยครั้งประมาณ 500 mOhm หรือหลาย Ohms เลือกลูกปัดที่มีความต้านทาน DC ที่เหมาะสม (มีซีรีย์พิเศษสำหรับสายไฟที่มีความต้านทาน DC ค่อนข้างต่ำ) ตรวจสอบให้แน่ใจว่าคุณสามารถทนต่อการลดลงของ IR เนื่องจากกระแส DC ของคุณ (เช่นกระแส 10 mA ที่ 500 mOhm ลดลง 5 mV)

ความถี่สูง (> 500 MHz)

ตัวเหนี่ยวนำเปิด ความต้านทานของตัวเก็บประจุมีแนวโน้มที่จะค่อนข้างสูง (~ 500 mOhm หรือแม้กระทั่งโอห์ม)

ไม่มีตัวเก็บประจุตัวเก็บประจุอื่น ๆ บนบอร์ดรวมถึงความจุระนาบของระนาบกำลังงานสำหรับเรา และพวกมันทั้งหมดขนานไปกับตัวเก็บประจุบายพาสที่ลดความต้านทาน PDN ใช่ตัวเก็บประจุอื่นอาจอยู่ไกลออกไป แต่ตัวเหนี่ยวนำระนาบของระนาบพลังงานก็มีขนาดเล็กมาก (กระแสนั้นมีความเข้มข้นน้อยกว่าเมื่อไหลในร่องรอย) ดังนั้นพวกเขาทุกคนมีข้อมูลเชิงบวกบางอย่างแม้จะมีการเหนี่ยวนำในทางที่พวกเขา

นี่คือเหตุผลที่ไม่แนะนำให้ใช้เม็ดเฟอร์ไรต์ในวงจรความถี่สูงกระแสสูง (เช่นตัวประมวลผลดิจิตอล) เนื่องจากทุกๆร้อย mOhm ของความต้านทาน PDN เพิ่มเติมอาจมีความสำคัญ

สรุป

ลูกปัดเฟอร์ไรต์อาจมีประโยชน์ในการป้องกันเสียงรบกวนภายนอก (หรือในทางกลับกันเสียงจากชิป) ได้อย่างมีประสิทธิภาพในช่วงความถี่บางช่วงในขณะที่ให้การเชื่อมต่อ DC (เพื่อชาร์จหมวกบายพาส) ลูกปัดอาจมีความต้านทานกระแสตรงมากทำให้เกิดแรงดัน DC ตก ลูกปัดเพิ่มความต้านทาน PDN โดยรวม (ฉันเดาว่าในทุกความถี่) ซึ่งอาจไม่พอใจในความถี่สูงที่ตัวเก็บประจุหยุดทำงานได้ดี ทางเลือกของการบายพาสหมวกกลายเป็นสิ่งสำคัญยิ่ง ใช้เส้นโค้งความต้านทานความถี่สำหรับตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำเสมอ (ไม่ใช่แค่ค่า L และ C แบบธรรมดา)

ฉันจะหลีกเลี่ยงการจัดเรียงทางขวาเพราะมีแนวโน้มที่จะส่งผลให้เกิดพฤติกรรมที่ไม่พึงประสงค์ (วัดที่ Vout) ที่ความถี่บางอย่าง

สิ่งนี้อาจมีประโยชน์