Einleitung:
Ein Stromverteilungsnetz (PDN) muss alle Komponenten einer Leiterplatte oder eines Systems mit stabiler Spannung und ausreichendem Strom versorgen. Mit steigenden Schaltgeschwindigkeiten und sinkenden Versorgungsspannungen ergeben sich Herausforderungen wie:
Hochfrequentes Rauschen von Schaltreglern oder digitaler Logik,
Spannungswelligkeit aufgrund schneller Stromtransienten und elektromagnetische Störungen
(EMI), die empfindliche Schaltungen beeinträchtigen oder zu Verstößen gegen regulatorische Vorgaben führen können.
Ferrite weisen eine frequenzabhängige Impedanz auf, wodurch Gleichstrom durchgelassen wird, während hochfrequentes Rauschen blockiert wird. Dadurch eignen sie sich ideal für:
die Filterung von Stromschienen,
die Verbesserung der Signalintegrität
und die Reduzierung von elektromagnetischen Störungen.
Funktionsweise von Ferriten:
Eine Ferritperle verhält sich wie eine Reihenspule mit Hochfrequenzverlusten. Ihre Impedanz Z(f) steigt mit der Frequenz:
Niedrige Frequenz/Gleichstrom: R≈0
, die Spannung wird verlustfrei zugeführt.
Hohe Frequenz: R steigt, wodurch Schaltgeräusche blockiert werden.
Typische Anwendungen:
1. Hochgeschwindigkeits-Digitalschaltungen:
Moderne FPGAs, SoCs oder Mikroprozessoren schalten mit Frequenzen von mehreren hundert MHz bis GHz.
Ferritkerne in Reihe mit den Versorgungsleitungen empfindlicher ICs reduzieren Schaltgeräusche.
Es wird empfohlen, sie mit Entkopplungskondensatoren für eine Breitbandfilterung zu kombinieren.
2. Gemischte (analoge + digitale) Systeme:
Ferritkerne trennen digitale und analoge Stromversorgungen und reduzieren so Kopplung und Übersprechen.
Sie gewährleisten die Signalintegrität in ADCs, DACs oder HF-Frontends.
3. EMV-Konformität:
Durch die Platzierung von Ferriten in der Nähe von störanfälligen ICs oder in Kabeln/Kabelbäumen werden die abgestrahlten Emissionen reduziert.
Dies verbessert die elektromagnetische Verträglichkeit, ohne den Systembetrieb zu beeinträchtigen.
4.
Schaltnetzteile (SMPS): Die Ausgänge von Schaltnetzteilen können hochfrequente Restwelligkeit aufweisen.
Serienferrite reduzieren diese Restwelligkeit und ermöglichen eine sauberere Stromversorgung.
Bei der Auswahl von Ferriten sind
folgende Designüberlegungen
Parameter Empfehlung
Impedanz vs. Frequenz Spitzenimpedanz bei der zu unterdrückenden Rauschfrequenz
Maximaler Gleichstrom Sicherstellen, dass der Kern nicht sättigt
Spannungsabfall Den zulässigen Spannungsabfall für die Last nicht überschreiten Verlustleistung
Die durch Hochfrequenzverluste erzeugte Wärme prüfen
Kombination mit Kondensatoren Für Breitbandfilterung immer mit Kondensatoren verwenden
Design-Tipp:
Netzteil → Ferritkern → Kondensatoren → IC
Praktisches Beispiel
FPGA mit 1,2-V-Schiene:
Durchschnittlicher Stromverbrauch: 5 A, maximaler Spannungsabfall: 20 A/µs.
Ohne Ferritkern: 50–100 mV Restwelligkeit.
Mit Ferritkern: 600-Ω-Kristall reduziert Rauschen >10 MHz, Gleichspannungsabfall
. Kondensatoren: 100 nF + 10 µF zur Glättung des restlichen Spannungsabfalls.
Abbildung 2 – PDN mit Ferrit für FPGA:
Vin 1,2 V ──> Ferrit 600 Ω ──> [10 µF || 100 nF] ──> FPGA-Kern
│
└─> GND
Ergebnis: eine saubere und stabile Stromversorgung, ohne Kompromisse bei der Hochgeschwindigkeits-Stromreaktion einzugehen.
Tabelle 2 – Typische PDN-Bead-Beispiele:
Modell Ferrit Maximale Stromimpedanz 100 MHz Typische Anwendung
Murata BLM18AG600SN1 6 A 600 Ω FPGA, SoC
TDK MMZ1608Y601A 3 A 600 Ω Sensoren, ADC/DAC
Würth 742792060 5 A 600 Ω SMPS, Hochgeschwindigkeits-Digitalschiene
Fazit:
Ferritkerne sind für moderne PDN-Designs unerlässlich:
Sie unterdrücken hochfrequentes Rauschen,
isolieren empfindliche Teilsysteme,
reduzieren elektromagnetische Störungen und erleichtern die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften.
Sie sind jedoch nicht universell einsetzbar: Impedanz, Stromstärke und Spannungsabfall müssen korrekt gewählt werden. In Kombination mit Kondensatoren und bewährten Leiterplattenpraktiken verbessern sie die Zuverlässigkeit und Leistung komplexer Systeme.
Referenzen:
Ott, Henry W., Electromagnetic Compatibility Engineering, Wiley, 2. Auflage, 2009.
Howard Johnson, High-Speed Signal Propagation, Prentice Hall, 2003.
Analog Devices, AN-877, „Power Distribution Networks and Decoupling Techniques“, 2020.
