Vị trí hạt Ferrite

Tôi muốn sử dụng một số bộ lọc cung cấp năng lượng bổ sung cho các thiết bị DAC, ADC, CPLD và OpAmp của tôi. Trong câu hỏi này, tôi đã nhận được điểm về các vị trí toàn cầu cho hạt ferrite. Nếu tôi hiểu chính xác, hạt ferrite nên được đặt gần thiết bị bất kể đó là thiết bị tạo tiếng ồn hay dễ bị nhiễu. Xin vui lòng, sửa cho tôi nếu nó không phải là một trường hợp chung. Tôi đã thấy một số sơ đồ ví dụ trong đó các hạt được đặt trước hoặc trong mạch vòng bypass:

Lưu ý với pic: Nguồn điện là Vin, Chip là Vout

Có sự khác biệt đáng kể giữa hai cách tiếp cận ở trên không?

Tôi đang nghiên cứu thông tin về việc tách tụ điện và tìm thấy một số thông tin về hạt ferrite từ TI :

Hạt Ferrite là công cụ rất tiện dụng để có trong kho vũ khí thiết kế mạch của bạn. Tuy nhiên, chúng không phải là một ý tưởng tốt cho tất cả các đường ray công suất mạch. Các hạt Ferrite hấp thụ hiệu quả các tần số cao bằng cách tăng điện trở ở tần số cao hơn. Điều này làm cho chúng rất tốt trong việc ngăn tiếng ồn cung cấp điện từ getitng đến các phần mạch nhạy cảm, tuy nhiên, nó cũng khiến chúng trở thành một ý tưởng rất tồi cho nguồn điện kỹ thuật số chính.

Khi nào nên sử dụng chúng:

Sử dụng chúng trên các dấu vết nguồn nối tiếp với các phần mạch tương tự như video tổng hợp hoặc PLL. Những hạt này có hiệu quả làm tắt dòng điện trong thời gian có độ nhiễu cao, cho phép chỉ rút điện từ các tụ tách rời ở phía dưới. Điều này cắt giảm tiếng ồn cho các phần mạch nhạy cảm đáng kể.

Cách sử dụng chúng:

Các hạt Ferrite nên được sử dụng ở giữa hai tụ điện với mặt đất. Điều này tạo thành bộ lọc Pi và giảm lượng nhiễu đáng kể cho nguồn cung cấp. Trong thực tế, tụ điện ở phía chip nên được đặt càng gần bóng cung cấp chip càng tốt. Vị trí hạt ferrite và vị trí tụ điện đầu vào là không quan trọng.

Nếu không có chỗ cho hai tụ điện tạo thành bộ lọc Pi, điều tốt nhất tiếp theo là xóa tụ điện đầu vào. Các tụ điện bên chip nên luôn luôn ở đó. Cái này rất quan trọng. Mặt khác, các hạt ferrite tăng điện trở tần số cao có thể làm cho mọi thứ tồi tệ hơn thay vì tốt hơn vì sẽ có bộ lưu trữ năng lượng cục bộ ở phía chip, và do đó không có cách nào để có được các xung công suất cực đại cao đến chip mà nó rất cần.

Khi không sử dụng chúng:

Các đặc điểm ferrite ở trên rất tiện dụng cho các phần mạch có công suất đồng đều và nhất quán, nhưng các đặc điểm tương tự làm cho chúng không phù hợp với các phần năng lượng kỹ thuật số. Bộ xử lý kỹ thuật số cần dòng điện cực đại, bởi vì hầu hết các bóng bán dẫn bên trong chuyển đổi đang chuyển đổi trên mỗi cạnh đồng hồ, tất cả các nhu cầu xảy ra cùng một lúc. Các hạt Ferrite (theo định nghĩa) sẽ không cho phép dòng điện chạy qua chúng với tốc độ dốc cao theo yêu cầu của bộ xử lý kỹ thuật số. Đây là những gì làm cho chúng hoàn hảo để lọc nhiễu trên các nguồn cung cấp tương tự (như PLL).

Vì tất cả nhu cầu năng lượng trong hệ thống kỹ thuật số là tức thời (tần số cao), thay vì là nhu cầu chậm và ổn định, hạt ferrite sẽ chặn nguồn cung cấp kỹ thuật số trong thời kỳ đỉnh điểm. Về mặt lý thuyết, các tụ điện bỏ qua ở phía bộ xử lý của hạt sẽ cung cấp dòng điện cực đại, lấp đầy các khoảng trống do ferrites gây ra cho đến khi chúng được sạc sau khi cực đại kết thúc, nhưng trên thực tế, trở kháng của ngay cả các tụ điện tốt nhất là quá cao trên 200 MHz để cung cấp đủ công suất đỉnh cho bộ xử lý. Trong các hệ thống không có ferrites, điện dung phẳng có thể giúp lấp đầy khoảng trống này, nhưng nếu sử dụng một ferrite, nó được chèn giữa các mặt phẳng và chân nguồn, do đó, lợi ích của điện dung phẳng bị mất. Điều này sẽ gây ra sụt giảm điện áp tức thời lớn trong khoảng thời gian bộ xử lý cần nhất, gây ra lỗi logic và hành vi lạ nếu không bị rơi ngay lập tức. Điều này có thể tránh được bằng thiết kế phù hợp nếu được yêu cầu cho hệ thống của bạn (ví dụ để giảm EMI), tuy nhiên điều này nằm ngoài phạm vi của ghi chú này.

Tôi tin rằng bạn nên kiểm tra xem phổ chuyển đổi hiện tại của bạn trông như thế nào. Nếu các mạch kỹ thuật số của bạn yêu cầu các dòng điện lớn, bạn không nên sử dụng hạt ferrite trên chúng.

Tôi hiện đang có suy nghĩ rằng hạt ferrite rất hữu ích trong một số ứng dụng cụ thể, cụ thể, nhưng nó chủ yếu được sử dụng như một công cụ hỗ trợ ban nhạc khi có vấn đề phát sinh cần được giải quyết bằng cách kiểm tra mạng lưới cung cấp điện.

Mặc dù thật tuyệt khi thấy một số biểu đồ hoặc dữ liệu khác, những gì tôi đọc được ở đây từ TI nghe có vẻ hợp lý. Các bạn nghĩ gì về nó?

Bảng mạch của tôi sẽ bao gồm các bộ nhân đôi / biến tần điện áp như ADM660 và một bộ vi điều khiển, sẽ tạo ra hai TTls 5V 5kHz lệch pha để điều khiển gương EM. Khi dây tai nghe của tôi chạm vào bảng, tôi có thể nghe thấy tiếng chuông trong tai nghe của mình. Vì vậy, tôi nghĩ những tiếng ồn như vậy sẽ ảnh hưởng đến các ADC, DAC, OpAmps, CPLD khác có trong hội đồng quản trị. Tôi nghĩ rằng đặt một hạt ferrite trên mỗi dây cung cấp điện sẽ làm tốt. Ngoài ra, loại hạt ferrite nào sẽ hoạt động tốt nhất cho TTL sóng vuông 10 MHz?

Tôi mong bạn đọc tài liệu này . Một số điểm nổi bật tôi đã lưu ý dưới đây: -

Tóm tắt - có lẽ tốt nhất không sử dụng hạt ferrite vì chúng chỉ thực sự bắt đầu đi vào mức trên 30 MHz của riêng chúng.

Về cơ bản tôi nghĩ rằng một số vấn đề bạn có thể đang cố gắng giải quyết là tốt nhất còn lại trong đấu trường "cuộn cảm" trong khi có thể sóng vuông 10 MHz (và quan trọng hơn là sóng hài của nó) có thể được xử lý bằng cách sử dụng hạt ferrite.

Tuy nhiên, lời khuyên của tôi nói chung là - sử dụng các mặt phẳng tiếp theo bằng cách tách tụ điện rất tốt trên tất cả các nguồn cung cấp năng lượng chip và nếu bạn có thể sử dụng điện trở nhỏ cấp nguồn cho những nơi dễ bị tổn thương (có thể từ 1 ohm đến 10 ohm). Nếu điều này không chứng minh thành công, tôi sẽ muốn biết lý do tại sao và có thể cải thiện việc nối đất và tách rời trước khi chèn cuộn cảm và chắc chắn trước khi xem xét các hạt ferrite.

Tôi không đồng ý với Spehro - hình ảnh bên phải tốt hơn nhiều, tức là ít cộng hưởng hơn. Mạch bên trái sẽ thấy "phản kháng" - Ở một tần số nhất định trong dải 100 MHz, nắp 10uF sẽ bắt đầu trông giống như một cuộn cảm, trong khi tụ điện .1uF vẫn sẽ trông giống như một tụ điện, làm cho cặp của chúng hoạt động như một mạch xe tăng LC. Xung quanh tần số đó, mạch xe tăng này sẽ không chìm hoặc cung cấp bất kỳ dòng điện nào, mà chỉ xoay nó qua lại như rất nhiều nước súc miệng, và do đó hai nắp với nhau sẽ có trở kháng rất cao, khiến chúng trở nên tồi tệ khi tách rời.

Như một quy tắc rất rộng, một ý tưởng tồi là có hai nắp gốm trên cùng một đường ray có sự khác biệt lớn về điện dung, không có một số giá trị khác ở giữa. (Ví dụ: bạn có thể đặt .1uF và .68uF, 2.2uF và 10uF trên cùng một đường ray, nhưng nếu bạn chỉ có .1uF và 10uF thì bạn có thể gặp vấn đề.)

Hình bên phải có một ferrite giữa các tụ điện không khớp, làm giảm mạch của bể LC với điện trở (vì ferrites có điện trở trên 100 MHz, không phải cảm ứng) và điều này ngăn các nắp giao thoa với nhau.

Một giải pháp khác là sử dụng nắp tantalum hoặc điện phân cho 10uF, bởi vì điện trở ESR tích hợp của nó cũng sẽ làm giảm mạch bể (nhưng nắp này sẽ vô dụng để lọc nhiễu tần số cao).

Tôi nhận được tất cả những điều này từ một ghi chú ứng dụng thực sự hữu ích của Murata .

Rất nhiều sự kết hợp tiện lợi của ferrites, cuộn cảm và mũ được sử dụng để tách rời có thể được tìm thấy ở đó.

Cả hai thiết lập có thể hoạt động. Cái nào tốt hơn được chi phối bởi các giá trị tụ điện, các ngôn ngữ tiếng Anh của họ và mạng lưới phân phối điện.

Trong thiết lập bên trái, PDN sẽ cung cấp đường dẫn trở kháng thấp ở tần số thấp hơn. Đây là yêu cầu để thiết lập này hoạt động.

Lợi thế tiềm năng của việc song song hai tụ điện là trở kháng công suất thấp hơn trong phạm vi rộng hơn (giả sử 0,1 uF và 10 uF bao gồm các dải tần số khác nhau). Đối với sự chống cộng hưởng khét tiếng của hai tụ điện - hãy nhìn vào các đường cong tần số trở kháng. Tình huống khi nó xảy ra là khi một tụ điện vẫn là tụ điện và một tụ điện khác là một cuộn cảm. Đây không phải là trường hợp. Vì vậy, câu trả lời được cung cấp bởi Spehro cũng có ý nghĩa.

Đối với các thiết lập đúng, nó cũng có thể hoạt động. Nhưng lưu ý rằng C1 là người duy nhất cung cấp năng lượng khi hạt được đóng lại - vì vậy trách nhiệm của nó là rất lớn. Các tụ lớn hơn bên trái có thể không cần thiết trong khoảng cách gần (như giả định của pic tôi đoán). Nếu hạt đóng sớm (tính bằng đơn vị MHz hoặc hàng chục MHz), thì nó sẽ cung cấp đường trở kháng thấp ở tần số kHz (hoặc đơn vị MHz) khi yêu cầu vị trí được nới lỏng (vì bước sóng ánh sáng ở mức hàng chục mét tại các tần số này). Nhưng nó phụ thuộc.

ruột thừa

Dưới đây là một số cân nhắc chung về hạt ferrite có thể thú vị.

Hãy xem xét để đơn giản thiết lập chỉ với một tụ điện. Mục đích chính của tụ điện thứ hai trong thiết lập pi là cung cấp trở kháng thấp cho nguồn điện ở tần số thấp hơn:

Giá trị điện dung yêu cầu

Ghi chú ứng dụng của Murata , trang 11, nói

Tôi đoán, cách công thức dẫn xuất như sau. Họ giả sử phản ứng của cuộn cảm và tụ điện bằng nhau (Lw = 1 / cw), tần số tính toán, biểu thị Zt theo tần số để có được phương trình. Điều này không đúng nói chung. Đầu tiên, trở kháng của tụ điện nói chung không bằng 1 / Cw, đặc biệt là ở tần số cao, nơi thống trị của ESL. Thứ hai, trở kháng của tụ điện phải nhỏ hơn nhiều (bậc của cường độ) nhỏ hơn trở kháng của cuộn cảm, không chỉ nhỏ hơn (nhỏ hơn gấp 2 hoặc 3 lần sẽ không hoạt động).

Cách chính xác là so sánh các đường cong tần số trở kháng của tụ điện và cuộn cảm (lý tưởng cho độ lệch DC được sử dụng, lý tưởng) và để đảm bảo trở kháng của tụ điện nhỏ hơn nhiều so với trở kháng của cuộn cảm nơi cần đặt . Nó không chỉ đơn giản là một số giá trị điện dung cần thiết. Giá trị yêu cầu của trở kháng của tụ điện (ở một số tần số) có thể được tính là deltaV / dòng điện, trong đó deltaV là một dao động điện áp cho phép và dòng điện là biên độ dòng điện ở tần số này.

Hoạt động của một hạt ferrite

Hãy xem xét như một ví dụ về hạt này BLM03AX241SN1 :

Trở kháng điển hình của mạng phân phối điện (PDN) được thấy trong PCB với các mặt phẳng công suất / mặt đất là từ hàng trăm mOhm đến các đơn vị Ohms. Vì vậy, hạt này thực sự là một kết nối mở (điện trở ~ 100 Ohm) bắt đầu từ vài MHz.

Nó có nghĩa là toàn bộ PDN bị cắt khỏi chip. Tất cả hy vọng là cho các tụ điện. Do đó, tầm quan trọng của tụ điện , nếu sử dụng hạt ferrite, trở thành tối quan trọng. Tụ điện không được lựa chọn sẽ làm cho chip không thể hoạt động. Nắp bypass được chọn không tốt sẽ không thành vấn đề nếu hạt không được sử dụng do tác động của các tụ điện khác (song song).

IR giảm ở tần số thấp

Các hạt Ferrite để lọc công suất thường được thiết kế dưới dạng cuộn cảm q thấp để ngăn cộng hưởng ký sinh. Vì vậy, điện trở DC của hạt ferrite được thực hiện có chủ ý cao. Thường là khoảng 500 mOhm hoặc thậm chí vài Ohms. Chọn một hạt có điện trở DC thích hợp (có các dòng đặc biệt cho các đường dây điện có điện trở DC tương đối thấp). Hãy chắc chắn rằng bạn có thể chịu được sự sụt giảm IR khi có dòng điện một chiều của bạn (giả sử, dòng điện 10 mA ở 500 mOhm tạo ra mức giảm 5 mV).

Tần số cao (> 500 MHz)

Cuộn cảm đang mở. Trở kháng của tụ điện có thể sẽ tương đối cao (~ 500 mOhm hoặc thậm chí Ohms).

Không có hạt, các tụ điện khác trên bảng, cũng như điện dung phẳng của các mặt phẳng công suất làm việc cho chúng ta. Và tất cả chúng song song với tụ điện bypass làm giảm trở kháng PDN. Đúng, các tụ điện khác có thể được đặt ở xa, nhưng độ tự cảm phẳng của các mặt phẳng công suất cũng rất nhỏ (dòng điện ít tập trung hơn khi chảy trong một dấu vết). Vì vậy, tất cả họ đều có một số đầu vào tích cực, mặc dù điện cảm trên đường đến với họ.

Đây là lý do, hạt ferrite không được khuyến nghị trong các mạch cao tần, dòng cao (ví dụ: bộ xử lý kỹ thuật số), bởi vì mỗi trăm mOhm trở kháng PDN bổ sung có thể rất quan trọng.

Tóm lược

Một hạt ferrite có thể hữu ích trong việc ngăn chặn hiệu quả tiếng ồn bên ngoài (hoặc ngược lại, tiếng ồn từ chip) với một số dải tần số, trong khi cung cấp kết nối DC (để sạc nắp bypass). Một hạt có thể có điện trở DC đáng kể tạo ra sụt áp DC. Một hạt làm tăng trở kháng PDN tổng thể (tôi đoán, ở tất cả các tần số), có thể không được chào đón ở tần số cao, nơi các tụ điện ngừng hoạt động tốt. Lựa chọn nắp bypass trở thành tối quan trọng. Luôn sử dụng các đường cong tần số trở kháng cho cả tụ điện và cuộn cảm (không chỉ các giá trị đơn giản của L và C).

Tôi sẽ tránh sự sắp xếp bên tay phải vì nó có nhiều khả năng dẫn đến hành vi cộng hưởng không mong muốn (được đo tại Vout) ở một số tần số.

Điều này có thể hữu ích.