Hallo alle zusammen,
ich habe ein paar Fragen zum grundsätzlichen Einsatz von Ferrit-Beads in
"modernen" Digitalschaltungen. Also Schaltungen mit Komponenten wie z.b.
Schaltregler, ARM Controller, SDRAM, TFT, USB, CAN, SD, NAND Flash usw.
Beim Schaltregler wird ja ein Eingangsfilter und ein Ausgangsfilter
benötigt.
Ich habe mich jetzt schon eine Weile belesen, aber ich habe nie so
richtig konkrete Fakten gefunden, oder ich habe falsch gesucht.
Der Ausgangsfilter des Schaltreglers wird üblicherweise als LC-Filter
ausgelegt. Also als Tiefpass 2. Ordnung mit einer Dämpfung von
40dB/Dekade. Diesen Filter lege ich auf eine Grenzfrequenz von 1/10 der
Schaltfrequenz aus. So weit so gut.
Jetzt geht es mir um die restlichen Schaltungskomponenten. Es wird ja
öfter hier im Forum davon gesprochen, dass generell Ferrit-Beads in die
Vcc-Leitungen vor den IC's reinkommen. Vom AVR kenne ich bereits die
Kombination einer Induktivität in der Vcc-Leitung zusammen mit dem
Abblockkondensator zur "Erzeugung" einer sauberen Spannung für den ADC.
Ich denke mal, dass das jetzt genauso ist und das durch die höheren
Frequenzen in der Schaltung generell ein LC-Filter vor den
IC-Versorgungen eingeplant werden sollte.
Jetzt weiß ich nur nicht, wie ich diesen Filter dimensionieren soll. Ich
will nicht nur irgendwelche typischen Werte. Ich möchte auch verstehen,
wie ich auf die typischen Werte komme. Der 100nF Abblockkondensator wird
ja als C für den Filter genommen oder schalte ich als Filter-C noch
einen 1uF Kerko parallel zum Abblock-C ? Wie wähle ich jetzt den
richtigen Ferrit-Bead? Nehme ich als Grenzfrequenz für die LC-Filter der
ICs auch wieder die 1/10-Schaltfrequenz der Spannungsquelle an? Durch
die Grenzfrequenz erhalte ich die Induktivität des Beads, aber welchen
Widerstand wähle ich nun bei 100MHz?
Wie wichtig ist ein weiterer 10nF-Abblock-C parallel zum 100nF Abblock-C
?
Ich hoffe ihr könnt mir helfen, ich will das wirklich mal verstehen, um
generell richtig damit umgehen zu können. Vielleicht habt ihr auch gute
Literaturtips für mich.
Danke! :-)
Viele Grüße
Martin
In hochwertigen gemischt analog-digitalen Schaltungen verwende ich
grundsätzlich Pi-Filter direkt an jedem Versorgungsspannungsanschluß,
bestehend aus je einem 2,2µF/16V/X7R-Cap (vor und hinter dem Längsglied)
und einer 742792040-Ferritbead von Würth als Längsglied. Um Resonanzen
zu vermeiden, schalte ich dem Ferrit gerne noch einen 1R Widerstand in
Serie. Alle Bauteile sind 0805.
Parallelschalten von weiteren Caps zu den 2µ2-Caps vermeide ich, weil
sonst unangenehme Parallelresonanzen entstehen können, die die
Entkopplung bei den Resonanzfrequenzen aushebeln können. Wenn ich
parallelschalte, dann nur identische 2µ2-Caps.
So, was ist der Sinn dieser Pi-Filter? Wenn ein Chip einen Stromimpuls
zieht, holt er sich ihn komplett aus dem unmittelbaren 2µ2-Entkoppelcap.
Der Ferrit und der zweite 2µ2-Cap bewirken, daß sich der Stromimpuls
nicht fortpflanzen kann, sondern auf einen sehr kleinen lokalen
Stromkreis begrenzt bleibt. Dadurch wird der Stromimpuls für den Rest
der Schaltung unsichtbar, nicht nur auf der Versorgungsspannung sondern
auch auf der Massefläche, weil kein Masserückstrom mehr über die ganze
Platine fließen kann. Der letzte Effekt ist die eigentlich Wohltat bei
gemischt analog-digitalen Schaltungen, weil dadurch die Massefläche frei
von digitalem Rauschen wird und man mit einer einzigen durchgehenden
Massefläche (ohne Gaps und Kanäle) oft schon zum Ziel kommt. Wenn man
jetzt noch digitale und analoge Schaltungsbereich strikt räumlich
voneinander trennt, bewirkt der zusätzliche Proximityeffekt, daß die
digitalen Masserückströme beinahe ausschließlich auf der digitalen Seite
fließen und die analoge Seite beruhigt bleibt. Auf diese Weise lassen
sich mehrere ADCs, DACs, µC und andere Schaltungsteile auf nur einer
einzigen Platine mit nur einer einzigen durchgehenden Massefläche
aufbauen, ohne daß es zu Qualitätseinschränkungen kommt.
Freilich ist das Vorhandensein einer wirklich durchgehenden Massefläche
absolute Grundvoraussetzung für das Gelingen. Ich verwende deshalb immer
eine 4-Lagenplatine, bei dir ich oft zwei Lagen als Massseflächen
verwende. Zusätzlich verwende ich auf den Signallayern intensiv "ground
fills", die ich mit reichlich Vias an den Masseflächen festmache. Auf
eigentliche Versorgungslayer verzichte ich bei gemischt analog-digitalen
Schaltungen, was bei extrem schnellen rein digitalen Schaltungen
manchmal aber leider nicht geht.
Auch die Signalleitungen, besonders die digitalen, profitieren in der
Regel von einer Verdrosselung oder zumindest einer näherungsweisen
Wellenwiderstandsanpassung (Serienwiderstand beim Treiber). Auch
symmetrische Signalführung, ob analog oder digital kann sehr hilfreich
sein. Das hängt aber von der jeweiligen Schaltung ab. Entscheidend ist
aber die Nutzung des Proximityeffekts, der die strikte räumliche
Trennung von analogen und digitalen Signalen voraussetzt.
Martin schrieb:> Hallo alle zusammen,>> ich habe ein paar Fragen zum grundsätzlichen Einsatz von Ferrit-Beads in> "modernen" Digitalschaltungen. Also Schaltungen mit Komponenten wie z.b.> Schaltregler, ARM Controller, SDRAM, TFT, USB, CAN, SD, NAND Flash usw.>>> Ferrit-Beads in die> Vcc-Leitungen vor den IC's reinkommen.
Aber nur mit einem 100nC zw. Ferrit und Vcc-Anschluß!
> Vom AVR kenne ich bereits die> Kombination einer Induktivität in der Vcc-Leitung zusammen mit dem> Abblockkondensator zur "Erzeugung" einer sauberen Spannung für den ADC.
Ja, weil der ADC am AVR sich leicht stören läßt.
> Ich denke mal, dass das jetzt genauso ist und das durch die höheren> Frequenzen in der Schaltung generell ein LC-Filter vor den> IC-Versorgungen eingeplant werden sollte.
ein normaler uC braucht eine stabile Spannung. Dafür ist das C an den
Versorgungspins da. Damit die Störungen, die der uC auf den
Versorgungsleitungen verursacht wenn seine Ausgänge in ns von High nach
Low schalten nicht allzuweit kommen sind die Ferrite da. Also etwas
umgekehrt als Du das annimmst. Weil - die Versorgung muß(!) schon vor
den Ferriten sauber sein, der Ferrit hilf da nicht mehr.
>> Jetzt weiß ich nur nicht, wie ich diesen Filter dimensionieren soll. Ich> will nicht nur irgendwelche typischen Werte. Ich möchte auch verstehen,> wie ich auf die typischen Werte komme. Der 100nF Abblockkondensator wird> ja als C für den Filter genommen oder schalte ich als Filter-C noch> einen 1uF Kerko parallel zum Abblock-C ? Wie wähle ich jetzt den> richtigen Ferrit-Bead? Nehme ich als Grenzfrequenz für die LC-Filter der> ICs auch wieder die 1/10-Schaltfrequenz der Spannungsquelle an? Durch> die Grenzfrequenz erhalte ich die Induktivität des Beads, aber welchen> Widerstand wähle ich nun bei 100MHz?
Das, was Du als Ferrit bezeichnest sind keine Spulen im Sinn von
Induktivität sondern extrem frequenzabhängige Widerstände. Die wandeln
quasi Frequenz nach Wärme um (ja... bildlich gesprochen...). Ferrite
werden daher nicht mit einem L angegeben sondern mit ihrer Impedanz bei
einer bestimmten Frequenz 1000 Ohm@100MHz (und Du findest keine
Güteangaben im Datenblatt). Bei denen steigt quasi der Widerstand mit
der Frequenz (ja, ich weiß, eine ziemliche Vereinfachung aber für Deinen
Fragezweck passend). IaW: der Ferrit läßt den DC-Anteil fast ungefiltert
durch, für die Störungen im 100MHz-Bereich sieht er aber für die Störung
wie ein zB 1k-Widerstand aus und dementsprechend reicht ein 10n (mit
geringer Eigen_induktivität_, daher Bauform 0805 oder 0603) aus um da
schon ausreichend Dämpfung zu erreichen. Schau Dir einmal die Kurven zu
742792042 von Würth an, da ist das mit dem Z und der Frequenz sehr schön
zu sehen.
> Wie wichtig ist ein weiterer 10nF-Abblock-C parallel zum 100nF Abblock-C
Naja... das ist eine schwierige Frage denn das hängt sehr vom Layout und
den Cs ab.
Aber im allgemeinen nicht sehr wenn der 100n eine kleine Bauform hat
(0805, 0603). Denn: Die Serieninduktivität der Cs macht Dir beim
Parallelschalten der Cs schnell einen unschönen Strich durch die ach so
schöne Rechnung. Und die Serieninduktivität bekommst Du nur durch eine
kleine Bauform in den Griff.
Grüße
MiWi
Wenn man filtern will, sollte man sich ueber den Frequenzbereich
Gedanken machen. Wenn also der Switcher bei 100kHz arbeitet sollte man
sich mit den Oberwellen auseinandersetzen. Und zwar dort, wo der LC
nicht mehr wirkt, zB ab 1..10MHz.
>Das, was Du als Ferrit bezeichnest sind keine Spulen im Sinn von>Induktivität...
Doch, eigentlich schon. Wenn man sich den Impedanzschrieb der
"742792040" genau anschaut, erkennt man eine Gerade bis 10MHz, wie man
sie von einer richtigen Induktivität erwartet:
http://katalog.we-online.de/pbs/datasheet/742792040.pdf
Man liest eine Niederfrequenz-Induktivität von rund 1,5µH ab. Genau
diese Induktivität kann mit dem 2µ2-Cap eine Resonanz bei rund 90kHz
nach der Thomsonformel bilden, wenn der Serienwiderstand kleiner als
SQRT(2L/C), also rund 1R ist.
Aber du hast natürlich Recht: Oberhalb von rund 10MHz zeigt das
Kernmaterial erhebliche ohmsche Verluste und der Ferrit bringt kaum noch
eine Induktivität zustande: Der Ferrit verwandelt sich in einen mehr
oder weniger großen Widerstand. Bei noch größeren Frequenzen kommt die
Streukapazität zwischen den Anschlüssen ins Spiel und der Ferrit
verliert wieder seine dämpfende Wirkung.
Hey vielen Dank euch allen :-)
Ich habe gerade in der "Trilogie der Induktivitäten" (Würth Elektronik)
geschaut und dort wird im Kapitel: Kleinrechnerboard auch der Pi-Filter
für die Versorgungsleitungen eingesetzt wird.
Das war mir bis heute neu, danke Kai für diesen Tip. Woher sehe ich ob
die 90 kHz Grenzfrequenz ausreichend ist? Ist das so eine Faustformel,
dass man eine Grenzfrequenz kleiner 100kHz annimmt, oder hängt das mit
der Taktfrequenz des zu versorgenden IC's zusammen? Wie wähle ich den
richtigen Ferrit? Wähle ich den Ferrit nach Herstellerempfehlungen, z.b.
steht beim WE 742792040: "Ideal für Datenleitungs- und
Versorgungsleitungsentkopplung" und dem Induktivitätswert oder wähle ich
ihn nach dem Impedanzwert@100MHz aus?
@Flash Gordon: Danke. jetzt habe ich den Grund für den Ferrit auch
verstanden - das das reine LC-Filter eben irgendwann nicht mehr wirkt.
Vielen Dank euch allen :-)
wichtig ist, dass das Ferrit nicht durch die Gleichstrom
Vormagnetisierung in die Sättigung getrieben wird. Immerhin handelt es
sich ja um einen Kern ohne Luftspalt! Der im Datenblatt angegebene
Maximalstrom muss sich nicht unbedingt auf die Sättigung beziehen,
jedenfalls wird das nie erwähnt.
Die Firma FAIR_RITE macht in ihren Datenblättern auch Angaben über die
Impedanz Verläufe mit Vormagnetisierung. Das kann man sich mal ansehen
um ein Gefühl dafür zu bekommen.
>Das war mir bis heute neu, danke Kai für diesen Tip. Woher sehe ich ob>die 90 kHz Grenzfrequenz ausreichend ist?
Die 90kHz sind reiner Zufall. Entscheidend für die Wahl des Ferrits war,
daß die ohmschen Verluste möglichst früh einsetzen und im 100MHz-Bereich
möglichst groß sind, die 0805-Bauform, damit ich sie noch handhaben
kann, und daß bei 1GHz noch möglichst viel Impedanz vorhanden ist. Dann
noch die Hochstromfähigkeit, damit ich sie universell einsetzen kann.
Bei den Caps wollte ich auf jeden Fall 0805-Bauform und möglichst viel
"unverfälschte" Kapazität, also ein X7R bei 16V Nennspannung. Das läuft
dann ungefähr auf einen 2µ2-Cap heraus. Der zusätzliche 1R
Serienwiderstand ergibt sich dann aus der Theorie, um die Resonanz zu
vertreiben. Man kann oft aber auch mit einer gewissen Resonanz noch gut
leben und den zusätzlichen Serienwiderstand einfach weglassen, vor
allem, wenn der Ferrit selbst noch etwas Serienwiderstand mitbringt.
Die genauen Werte sind also recht unkritisch. Man will eben im Bereich
zwischen 10MHz und 1GHz möglichst viel Dämpfung zustande bringen, ohne
allzu große Spannungsabfälle über den Längsgliedern in Kauf nehmen zu
müssen. Dabei ist die Topologie des Pi-Filters von besonderem Vorteil.
Man sollte sich mal den Frequenzgang eines X7R anschauen. Ein 100nF 1206
geht vielleicht bis 10MHz, oben dran wird er induktiv. Ein 10nF geht
vielleicht bis 100MHz. Und ein 1uF ist bei 1MHz schon am Ende.
@ Flash Gordon (Gast)
>Man sollte sich mal den Frequenzgang eines X7R anschauen.
na dann schau mal RICHTG hin.
>Ein 100nF 1206>geht vielleicht bis 10MHz, oben dran wird er induktiv. Ein 10nF geht>vielleicht bis 100MHz. Und ein 1uF ist bei 1MHz schon am Ende.
jaja, das übliche Halbwissen. Dann schau mal nicht nur auf die
Resonanzfrequnz mit minimalem Blindwiderstand, sondern schau dir auch
mal den ABSOLUTWERT an. Und da ist ein 100nF bei 10 MHz immer noch
kleiner als ein 10nF im gleichen Gehäuse, auch wenn er "offiziell" schon
induktiv aussieht.
>Man sollte sich mal den Frequenzgang eines X7R anschauen. Ein 100nF 1206>geht vielleicht bis 10MHz, oben dran wird er induktiv. Ein 10nF geht>vielleicht bis 100MHz. Und ein 1uF ist bei 1MHz schon am Ende.
Ein Entkoppelcap darf induktiv werden und wirkt dann immer noch, weil er
dann trotzdem eine weitaus größere Induktivität, nämlich die der
Zuleitung bis zum Netzteil kurzschließt.
Die Induktivität eines Caps wird von der Bauform bestimmt und nicht von
der Nennkapazität. Deswegen haben ein 2µ2-Cap und ein 10n-Cap im
0805-Gehäuse die gleiche Induktivität. Will man unbedingt noch
niedrigere Induktivitäten erreichen, dann nimmt man entweder eine
kleinere Bauform, also beispielsweise 0603, oder schaltet zwei
identische 0805-Caps parallel. Wenn man unterschiedliche Caps parallel
schaltet, kann das im Anhang gezeigte passieren: Die beiden Caps
resonieren und erzeugen ein Impedanzmaximum, bei der die
Entkoppelwirkung gleich Null ist. HF-Schaltungen schwingen dann
gewöhnlich genau auf dieser Frequenz...
Noch niedrigere Induktivitäten bei Entkoppelcaps können sich aber oft
nicht segenreich auswirken, weil irgendwann die endliche Induktivität
der Massefläche dominiert.
