Ferriti

Gli induttori sono i componenti passivi meno usati e certamente meno conosciuti, per varie ragioni, e questo è  particolarmente vero per le cosiddette ‘ferriti’, induttanze costruite con nucleo in materiale magnetico sintetico.
Resistori e condensatori risultano familiari a tutti i progettisti elettronici e sono considerati componenti ‘semplicì, anche se  possono riservare anch’essi sorprese in alcune condizioni di funzionamento. Gli induttori sono decisamente meno usati, trovando applicazione in filtri, oscillatori e soppressione di disturbi elettromagnetici,  una forma particolare di filtraggio . Il loro dominio di applicazione è fondamentalmente la Radio Frequenza, alimentazioni switching, audio, cosa che ne  fa quasi degli sconosciuti per progettisti digitali e applicazioni embedded.
Caratteristica degli induttori è offrire una impedenza nulla in continua e crescente al crescere della frequenza, opponendosi quindi alla propagazione di segnali indesiderati ad alta frequenza, secondo la nota formula
Z = 2? * f * L
Il comportamento dell’induttore ideale è il reciproco del condensatore, il quale invece offre impedenza decrescente al crescere della frequenza. Naturalmente, il comportamento dei componenti reali è più complesso e spesso fortemente non lineare, cosa che spiega in buona parte il difficile rapporto con questi dispositivi.  La forma più semplice di induttore è costituita da una bobina di filo avvolto su un supporto isolato. Per aumentare il valore di induttanza si può avvolgere la bobina su un nucleo di materiale magnetico (tipicamente leghe di ferro). Valori ancora maggiori si possono ottenere con nuclei ceramici composte solitamente da un misto di ossidi di ferro con Zinco-Manganese o Zinco-Nickel, dette appunto ferriti. Quest’ultimo caso è  oggetto di questo articolo perché le ferriti trovano impieghi sempre più diffusi anche fuori dai campi tradizionali e richiedono qualche cautela nell’uso.  Come vedremo, le ferriti sono anche spesso visibili come curiosi rigonfiamenti cilindrici sui cavi USB o video verso computer e apparecchiature multimediali. Nei progetti digitali moderni, in particolare basati su FPGA o microprocessori veloci, le frequenze operative salgono a molte centinaia di MHz o GHz. La coesistenza sulla stessa board, quando non nello stesso chip, di circuiteria digitale cosi veloce con circuiteria analogica e con i driver ad alta velocità, suggerisce la separazione delle alimentazioni anche di eguale valore in continua, per isolare i circuiti più sensibili dalle sorgenti di rumore. In particolare, rumore elettrico presente sulle alimentazioni della circuiteria analogica dei generatori di clock PLL (Phase Locked Loop) rischia di modulare il segnale digitale da questi prodotto e contribuire al jitter complessivo. Questo ha influenza sulla ripetibilità delle transizioni del clock creando una banda di indeterminazione e riduce i margini temporali di lavoro dell’applicazione. D’altra parte, lo split nelle alimentazioni crea complicazioni nel routing e rischia di aumentare il costo del PCB, imponendo a volte l’uso di piani aggiuntivi. Una possibile soluzione, quando accuratamente progettata, è rappresentata dall’uso delle ferriti nella separazione locale di una alimentazione dal piano di distribuzione globale della scheda. La nuova alimentazione creata a valle della ferrite viene separata ad alta frequenza dall’alimentazione madre, con un minimo di disturbo al routing e costo aggiuntivo. È di fondamentale importanza che il decoupling realizzato a valle della ferrite sia tale da garantire bassa impedenza in tutta la gamma di frequenza richiesta, garantisca cioè la Target Impedance richiesta dallo specifico carico. La rete di alimentazione generale non sarà infatti più in grado di soddisfare picchi di corrente a frequenza elevata, essendo questi filtrati dall’impedenza della ferrite, insieme al rumore esterno che si intende sopprimere. I componenti più semplici basati su ferriti sono anche chiamate ‘beads’ (letteralmente ‘perline‘), perchè consistono in un conduttore inglobato nel materiale ceramico. Nella loro forma originale, erano componenti da infilare su fili passanti di cui realizzavano il filtraggio. Oggi esistono anche come componenti a montaggio superficiale. Le ‘ferrite beads’ si distinguono quindi dagli induttori generici per non avere avvolgimenti di filo su nucleo magnetico.
Le ferriti sono disponibili in due diverse tipologie fondamentali, Q elevato, da non usare in applicazioni digitali, e basso Q (si ricorda qui che il Fattore di Merito Q = ?L / R esprime sostanzialmente quanto prevale il comportamento induttivo rispetto al comportamento dissipativo/resistivo del componente). Le ferriti a basso Q sono progettate in modo da dissipare l’energia HF in calore nel nucleo, attraverso le perdite per isteresi magnetica e correnti di perdita indotte nel nucleo (Eddy currents o correnti di Focault). Abbiamo quindi l’energia su una banda di frequenza relativamente ampia effettivamente dissipata ed eliminata dal nostro sistema, non semplicemente riflessa o dirottata come nell’uso di filtri con componenti reattivi. I costruttori specificano le caratteristiche delle loro ferriti come grafici Impedenza verso Frequenza, oltre a fornire la massima resistenza e corrente nominale in continua. Questi dati sono importanti perché lavorando a correnti elevate si può incorrere nel fenomeno di saturazione del nucleo, dove il suo contributo all’induttanza complessiva risulta sostanzialmente ridotto, se non annullato. Bisogna quindi scegliere un componente in grado di lavorare a correnti ben inferiori alla saturazione. Se osserviamo un datasheet è fondamentale non fermarsi nella selezione al valore di impedenza indicato in condizioni normalizzate, per permettere una facile classificazione del componente (ad es. 120 ohm a 100MHz per BLM18AG121SN), ma proseguire la lettura e prendere visione dell’andamento dell’impedenza presentata nei grafici delle pagine successive, confrontandolo con le bande di lavoro della propria applicazione. La significativa variazione di cui si può prendere visione, è una delle complicazioni nella scelta del componente più adatto. Le simulazioni circuitali sono in  grado di aiutare nella verifica del comportamento del componente scelto ma come prima cosa, occorre costruirne un modello affidabile. Il modello presentato in Fig 2  è considerato affidabile per  frequenze inferiori ad 1 GHz.

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Figura 2: Modello Spice di un induttore con nucleo in ferrite

Questo modello è usabile quando non sia fornito un modello SPICE direttamente dal produttore del componente, pratica quest’ultima sempre più comune. Nel modello, Rdc rappresenta la resistenza ohmica delle connessioni, Rparasitic è la resistenza parallelo equivalente dovuta alle perdite nel ferro, Cparasitic la capacità parassita dovuta alla granularità del materiale. L infine l’induttanza ideale, nominale del componente. I parametri parassiti non sono costanti, se non in prima approssimazione, variando con la temperatura, frequenza e corrente di carico. Possiamo notare dalle simulazioni ma anche dalle curve di Fig. 1, che la natura dell’impedenza serie presentata cambia notevolmente in particolare con la frequenza.

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 Figura 1: Confronto tra cinque ferriti

A bassa e media frequenza la ferrite ha basse perdite e si comporta quindi come un buon induttore (Q relativamente elevato). Tipicamente, a frequenze maggiori di qualche decina di MHz, i fenomeni dissipativi prevalgono ed il comportamento è resistivo (in ac). Questa è la regione in cui le ferriti sono utili, dissipando in calore l’energia elettromagnetica associata alle frequenze che si intendono filtrare. Aumentando ancora la frequenza l’efficacia della ferrite diminuisce perché inizia ad essere cortocircuitata dalla capacità parassita, in parallelo all’induttanza. Componenti recenti possono comunque mantenere le loro caratteristiche fino a frequenze dell’ordine del GHz. La verifica del corretto comportamento della ferrite scelta andrebbe eseguita aggiungendo la ferrite alla rete di disaccoppiamento del ramo di alimentazione considerato e simulando con un simulatore circuitale SPICE o equivalente. Occorre analizzare la caduta di tensione della PDN ottenuta (Power Distribution Network), curando che si mantenga un buon margine verso la minima tensione di alimentazione dei componenti il ramo circuitale in oggetto. Va poi prestata attenzione ad ogni picco di impedenza che potrebbe violare i limiti di Impedenza Target proprio dell’applicazione. Tali picchi si curano con l’aggiunta di un condensatore calcolato per avere una frequenza di auto risonanza serie prossima alla frequenza corrispondente al picco. La risposta ai transienti va anche verificata per accertare l’assenza di sovra oscillazioni dovute all’effetto di Q elevato in certe bande di frequenza. Overshoot e ringing possono anche essere dovuti ad oscillazioni innescate tra l’induttanza della ferrite ed i condensatori di decoupling. Occorrerà in tal caso scegliere una diversa ferrite con minore induttanza nominale. Teniamo presente che l’impedenza della sorgente di alimentazione vista dal carico, dovrà essere una frazione dell’impedenza del carico stesso, come sempre quando si vuole ottenere una buona regolazione della tensione di alimentazione.
Procedura raccomandata progettando filtri di alimentazione con ferriti :

  • Scegliere una ferrite con corrente nominale almeno doppia della massima corrente di carico attesa per il ramo di alimentazione filtrato. Questo garantisce di evitare saturazioni del nucleo.
  • Stabilire la massima resistenza serie accettabile e ridurre al minimo la resistenza in continua del filtro, in modo da ridurre cadute di tensione.
  • Stabilire la banda di frequenza entro cui desideriamo avere attenuazione.
  • Verificare in simulazione che la presenza del filtro non porti la tensione al di sotto o in prossimità dei minimi di specifica del dispositivo alimentato, in nessuna condizione operativa.
  • Verificare in simulazione che eventuali antirisonanze non violino il valore di impedenza Target per alcuna frequenza nel range operativo. Aggiungere un condensatore di decoupling qualora si presentino violazioni ed aggiustarne il valore in simulazione.
  • Verificare in simulazione la risposta a transiente del circuito di alimentazione con filtro, per verificare l’assenza di overshoot ed oscillazioni che possano violare i limiti raccomandati imposti dai componenti alimentati.
  • Verificare in simulazione l’impedenza di trasferimento dell’isola di alimentazione a valle del filtro rispetto ad altri rami del sistema di alimentazione per decidere se l’attenuazione ottenuta sia soddisfacente.

L’applicazione delle ferriti risulta in generale conveniente quando si debbano isolare circuiti analogici sensibili al rumore in una applicazione mista, con circuiteria analogica e digitale aventi sensibilità diverse.
Le ferriti che abbiamo considerato finora sono bipoli, componenti montati in serie ad un singolo conduttore. Esistono anche nuclei in ferrite ad anello, montati in modo da avvolgere stretamente entrambi i conduttori di alimentazione di un circuito o apparecchiatura. Le correnti fluenti nei due conduttori sono uguali in modulo ed opposte in fase. Il campo risultante è quindi nullo all’interno della ferrite e questa non presenta alcuna attenuazione. La presenza di correnti di modo comune crea però un campo risultante diverso da zero e dissipazione nella ferrite. Questa si presenta quindi come una impedenza serie bassissima per le correnti funzionali dell’apparecchiatura, ma come impedenza significativa che dissipa in calore l’energia associata a correnti di disturbo sovraimposto. Sono questi i rigonfiamenti che notiamo ad esemio sui cavi di alimentazione dei moderni monitor da computer.

Simulazioni su SPICE

LTspice, il programma di simulazione generosamente reso disponibile da Linear Technology, è sempre più diffuso ed usato, non ha restrizioni nel numero di nodi del circuito e di componenti e grazie anche al supporto di una community online. Una volta installato il programma, operazione semplice e senza alcun problema, installiamo anche la libreria di ferriti Laird (ex Steward). L’installazione in LTspice funziona perfettamente come descritto nel file di documentazione contenuto nello zip della libreria. Notare che la procedura suggerita non funziona, invece, con le ultime release di Pspice. L’autore ha scelto per la sua applicazione di filtraggio di una alimentazione sensibile al rumore, il componente LI603D301-R10. Si tratta di una ferrite bead con impedenza tipica di 300 ohm a 100 MHz, corrente massima 400 mA, componente a montaggio superficiale in contenitore 0603. Simuliamo il componente da solo per cominciare (vedere schema in figura 3).

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Figura 3: schema Simulazione Ferrite isolata.
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Figura 4: simulazione Ferrite isolata.

Applicando tensione e corrente unitaria e variando la frequenza simulazione AC), otteniamo la curva che rappresenta l’impedenza in funzione della frequenza per il componente scelto. Avendo un generatore da 1A, la tensione coincide numericamente con l’impedenza in ohm e possiamo, quindi, leggere l’impedenza ad ogni frequenza in ohm sulle ordinate del grafico. Ritroviamo l’andamento descritto nell’articolo precedente, come atteso. A  bassa e media frequenza l’impedenza è relativamente bassa, la ferrite ha basse perdite ferromagnetiche e si comporta, quindi, come un induttore. A frequenze maggiori di qualche MHz, i fenomeni dissipativi prevalgono e l’impedenza aumenta fino a presentare un picco per poi decrescere. L’efficacia della ferrite diminuisce perché inizia ad essere cortocircuitata dalla capacità parassita, come visto. Per il componente scelto, il picco si ha nei dintorni di 250 MHz ma l’impedenza si mantiene significativa fino a ben oltre 1 GHz, promettendo una certa efficacia nel filtraggio del rumore ad alta frequenza. Notiamo che sia il valore di impedenza ad una data frequenza, sia la frequenza a cui abbiamo il picco di massima impedenza, sono un po’ diversi da quanto indicato dal datasheet. Questo approssimazione può essere in parte dovuta alla corrente di carico in continua (abbiamo usato 1A per un componente con corrente nominale di 0.4A), ma si consiglia comunque di acquisire misure sul componente scelto per applicazioni critiche ed, eventualmente, procedere ad un aggiustamento fine dei parametri del modello Spice. Purtroppo tali misure richiedono strumentazione costosa e non sempre facilmente reperibile, quali Impedance Analyzer o Network Analyzer. Qualcosa si può fare ricorrendo ai vecchi ma affidabili ponti di misura in alternata, almeno per frequenze non troppo elevate. I metodi di misura a ponte sono riportati in qualunque testo di misure elettriche. Chi volesse approfondire caratteristiche, funzionamento ed applicazioni dei Network Analyzer, potrebbe trovare utile la documentazione Agilent.
Proviamo ora a completare progressivamente il circuito in cui la ferrite è inserita e verificarne il comportamento a livello sistema invece che singolo componente. Aggiungiamo, quindi, un condensatore da 100 nF che rappresenta il decoupling locale dell’alimentazione che intendiamo filtrare (vedere figura 5 e 6).

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Figura 5: schema simulazione Ferrite e condensatore di decoupling (100nF).
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Figura 6: simulazione Ferrite e condensatore di decoupling (100nF).

 Per rendere le cose un po’ più realistiche, useremo un generatore non più ideale, quindi con una certa resistenza interna, rappresentata da R1. Estraiamo la curva di impedenza, con simulazione Spice AC, come fatto in precedenza. Notiamo che viene introdotto un picco di antirisonanza, di impedenza elevata, a bassa frequenza. Per meglio studiare il fenomeno, aggiungiamo anche il carico previsto, 180 ohm nel nostro caso (vedere figura  7 e 8).

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Figura 7: schema Simulazione ferrite, decoupling e carico (180 ohm).
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Figura 8: simulazione ferrite, decoupling e carico (180 ohm).

Figura 8: simulazione ferrite, decoupling e carico (180 ohm).

 Notiamo che il picco risulta solo leggermente ridotto. Riducendo il carico a 18 ohm (vedere figura  9), abbiamo una apprezzabile riduzione del picco di impedenza, confermando che l’antirisonanza introdotta dall’elemento reattivo ferrite dipende dal valore dell’elemento reattivo di decoupling, insieme all’induttanza della ferrite, ma anche dalle impedenze di sorgente e carico in gioco.

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Figura 9: simulazione ferrite, decoupling e carico (18 ohm).

 Prima di rilasciare il circuito è quindi indispensabile procedere ad una accurata caratterizzazione in simulazione, tenendo conto delle reali condizioni di lavoro nell’applicazione specifica (e possibilmente ottenere conferma sperimentale sui circuiti critici). Il picco di impedenza  può essere accettabile o meno in funzione della banda passante del circuito in oggetto. Se abbiamo una sovrapposizione, è opportuno procedere all’eliminazione del picco, ad esempio, smorzandolo con la tecnica del polo dominante (vedere figura  10).

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Figura 10: smorzamento di antirisonanze con tecnica del polo dominante.

In pratica, interveniamo sulla caratteristica della rete LC aggiungendo un resistore ed un condensatore. Il dimensionamento del circuito è spiegato in dettaglio nel documento ‘PDN Application of Ferrite Beads’. La cosa fondamentale da verificare è che l’impedenza vista dal carico nella soluzione circuitale finale, sia adeguata nell’intero range di frequenza operativa del carico stesso. A causa della presenza del filtro, tutta la carica necessaria a sostenere domande di corrente istantanee da parte del carico, non potrà provenire dall’alimentatore ma dovrà essere soddisfatta dal decoupling locale, a valle della ferrite. In altre parole, il rispetto dell’impedenza target in frequenza del nostro carico, costituirà il criterio finale di accettazione del filtro implementato. Avremo, quindi, bisogno di disporre di stime affidabili circa il profilo di corrente assorbita dal circuito che intendiamo proteggere, cosa che potrebbe non rivelarsi facile.
Abbiamo visto come l’uso delle ferriti sia effettivamente problematico ma utile. Le difficoltà nascono dalla forte non linearità dei componenti, dagli effetti collaterali creati dalle interazioni tra componenti e dalla difficoltà nel procurarci i dati necessari al dimensionamento e verifica dei circuiti. [/iscritti]

Redazione Fare Elettronica