Ferrite Bead를 사용한 PDN 필터

노이즈 고립 내지 억제 목적으로 페라이트 비드(ferreite bead)가 널리 사용되고 있다. 비드는 강력하고 싸지만, 원칙없이 사용되어 성능에 해를 주는 경우가 종종 있다. bead를 사용하기에 앞서 사용하려고 하는 bead가 어떤 특성을 갖고 있는지 이해하고 있어야 한다.

페라이트 비드를 사용한 PDN 필터를 만들 때 중요한 파라미터:

• stop band 주파수 범위

• stop band attenuation

• 부하 쪽에서 바라 본 PDN impedance

• 비드와 바이패스 네트워크 사이에 형성되는 어떠한 peak에 대한 resonance damping

필터의 insertion response(S21)에서 cut-off(Fco) 주파수는 일반적으로 비드 L-R 전이 주파수보다 낮게 형성이 된다. 그럴 경우 상당한 peak가 발생할 수 있다. 다음 조건이 모두 만족되면 Fco 근처에서 필터는 상당한 insertion gain을 갖는다.

• 소스 임피던스가 필터 임피던스((L/C)^0.5)의 2배보다 훨씬 작은 경우

• 부하 임피던스가 필터 임피던스((L/C)^0.5)의 절반보다 훨씬 큰 경우

• Fco가 L-R 전이 아래서 발생한 경우. 즉 jwL >> RAC

• 필터 커패시터의 ESR이 필터 특성 임피던스((L/C)^0.5)의 2배보다 훨씬 작은 경우

많은 PDN 페라이트 비드 어플리케이션에서 특히 가벼운 부하에서 위의 모든 조건은 충족된다. Source PDN이 잘 regulate되기 위해서, 그것의 임피던스는 필터를 포함한 모든 부하의 조합보다 낮아야 한다. 유사하게 시리즈 필터 임피던스는 부하 포트에서 부하 임피던스보다  낮게 보여야 한다.

페라이트 비드의 L-R 전이는 사용된 물질의 함수이다. 어떤 MnZn 물질은 2 MHz 아래서 전이를 보이고, NiZn 물질 중에는 10 MHz~1000 MHz 사이에서 전이를 보인다. 대개 10  ~50 MHz에서 전이가 일반적이다. 세라믹 커패시터는 싼 가격,작은 사이즈, 100 mohm 이하의 ESR을 갖는 고성능 때문에 바이패스 분야에서 많이 사용된다.  네트워크 임피던스 간에 불일치가 클수록, 펄터의 감쇄는 더 약해지고, Fco 주파수에서 전파되는 노이즈 peaking은 더 커진다.

위 그림은 (L/C)^0.5 = 2.34 ohm인 페라이트 비드와 커패시터 조합을 사용했을 때, 다양한 source impedance와 load impedance의 주파수 응답을 보여준다. 두 그림 모두 50 ohm 포트를 사용한 VNA S21 응답을 포함한다. VNA 응답은 1/(50*pi*C)에서 -3dB 코너를 보여주는데, 50 ohm driving과 loading port 때문에 실제를 반영하지 못하고 있다. source impedance보다 몇 배 큰 load impedance를 갖는 실질적인 회로는 DC부터 필터 코너 주파수 까지 잘 전압을 regulation할 것이 요구되어진다.  그런 회로의 LRC 필터 응답은 쉽게 +20 dB 이상 peak을 얻을 수 있다. bead와 capacitor의 불행한 조합은 그 응답이 충분한 에너지 소스(노이즈)와 가깝게 해서, 스위칭 파워 클럭 레이트에 혼란을 가져올 수 있다. 댐핑은 cut-off 주파수 근처에서 series와 shunt 저항의 조합으로 충분한 에너지 소모를 제공할 수 있어야 한다.

내용 및 그림 출처: DessignCon 2011, PDN Application of Ferrite Bead