El ruido de la fuente de alimentación es un tipo de interferencia electromagnética (EMI) procedente del sistema distribuidor de energía. El espectro de frecuencias de su ruido conducido es de aproximadamente 10 kHz a 30 MHz, hasta 150 MHz. Este ruido puede interferir en el funcionamiento normal de los dispositivos electrónicos y provocar distorsiones en la señal. Entonces, ¿cómo se puede reducir el ruido en la fuente de alimentación? Para responder a esta pregunta y ayudarle a comprender mejor los principios de la reducción del ruido en la fuente de alimentación, hemos creado esta entrada de blog. ¡Empecemos!
¿Qué es el sistema de distribución de energía (PDS)?
Un sistema distribuidor de energía (PDS) es un dispositivo que distribuye energía a múltiples dispositivos o componentes de placas de circuitos. Un diseño deficiente del PDS provocará resonancia estructural y el deterioro de la calidad de la energía. Por lo general, el sistema PDS consta tanto del sistema de circuitos como del sistema de campo electromagnético (EMF). Y el EMF contiene la fuente de alimentación y el plano de tierra. La siguiente figura es un diagrama esquemático de un PDS.
Como muestra la imagen anterior, el ruido de la fuente de alimentación se genera generalmente desde el circuito integrado. A continuación, pasa a través de la conexión entre el sustrato Via y las bolas de soldadura del paquete. Finalmente, llega al sistema de alimentación de la placa de circuito impreso.
Tipos de ruido en la fuente de alimentación
1. Distorsión armónica
La distorsión armónica es un tipo de distorsión de la forma de onda que se produce cuando se amplifica una señal. Un sesgo inadecuado, la sobrecarga del amplificador y el desajuste de impedancia pueden causar distorsión armónica. Además, también puede producirse cuando una señal analógica se convierte en una señal digital.
2. Pico de tensión
Los picos de tensión, corriente y energía son transitorios eléctricos rápidos y de corta duración en un circuito eléctrico. Estos transitorios eléctricos pueden crear ruido en forma de picos de corriente. Un pico de tensión suele tener un valor máximo de 6000 V y una duración de entre 1/10 000 de segundo y 1/2 ciclo (10 ms). Los transitorios eléctricos se deben principalmente a rayos, arcos eléctricos, descargas estáticas u operaciones de conmutación de grandes equipos eléctricos. Los picos de tensión suelen producirse en acerías, equipos de tiristores, equipos de chispas, locomotoras eléctricas, etc. Destruyen la fuente de alimentación conmutada, el filtro de entrada, el rectificador e incluso el tubo de vibración principal del ordenador industrial.
3. Ruido de rebote en tierra
El ruido de rebote de tierra (GBN) es un fenómeno que puede producirse en los circuitos electrónicos. Cuando una línea de señal se conecta a un plano de tierra con una impedancia alta. La alta impedancia puede hacer que la señal «rebote» en el plano de tierra, provocando interferencias y ruido.
Diseñamos un PDS y creamos tres grupos de comparación: un solo paquete, una sola PCB y todo el sistema PDS. El objetivo es medir la diferencia en GBN entre ellos. En este proceso, necesitamos utilizar herramientas como el analizador de redes, la estación Microtechprobe y la sonda GS.
A partir de los resultados de las mediciones de la figura anterior, podemos observar que los valores GBN de las tres estructuras PDS son bastante diferentes.
En primer lugar, en el modo de paquete único, el GBN se comporta como un condensador antes de 1,3 GHz, y el modo de resonancia se genera después de 1,5 GHz.
En segundo lugar, en el caso del modo PCB único, el GBN tiene modos de resonancia después de 0,5 GHz, como 0,73 GHz (TM01), 0,92 GHz (TM10) y 1,17 GHz (TM11), y el comportamiento del GBN es peor que el del Pkg único.
Por último, en la estructura mixta de paquete y PCB, la frecuencia GBN tiene tres puntos de resonancia más que un paquete único antes de 1,5 GHz. Estas resonancias de ruido provienen de la PCB y se acoplan a la fuente de alimentación del paquete a través de bolas de soldadura, vías, etc. Afectarán más a los circuitos integrados del paquete, pero de forma diferente a la estructura de paquete único o PCB.
¿Cómo reducir el ruido en la fuente de alimentación?
Hay varias formas de reducir el ruido en la fuente de alimentación, entre ellas los condensadores de desacoplamiento, que filtran el ruido en la fuente. Aquí nos centraremos principalmente en la sección de condensadores de desacoplamiento.
Optimización de condensadores de desacoplamiento
Una forma eficaz de suprimir el ruido del plano de alimentación es optimizar los condensadores de desacoplamiento. Esto incluye el tamaño del condensador, su ubicación, su ESR, su ESL y el número de condensadores.
1. Ubicación ideal para condensadores de desacoplamiento
Con el fin de analizar la influencia de la posición del condensador de desacoplamiento en el ruido de la fuente de alimentación, añadimos condensadores de desacoplamiento en el paquete y en la placa de circuito impreso, respectivamente, y luego medimos el GBN.
En primer lugar, en el rango de 0,5 GHz, puede reducir considerablemente la impedancia estructural y reducir las interferencias GBN, independientemente de si se añaden condensadores de desacoplamiento al paquete y a la placa de circuito impreso.
En segundo lugar, en el rango de 0,5 GHz a 2 GHz, añadimos condensadores de desacoplamiento tanto en el paquete como en la PCB. Tienen el mismo efecto en la supresión del ruido. Sin embargo, si solo se añaden condensadores en la PCB, se observará un punto de resonancia adicional cerca de 0,8 GHz. Es incluso peor que no añadir condensadores. Por lo tanto, es necesario añadir condensadores de desacoplamiento tanto en el paquete como en la PCB al mismo tiempo.
En tercer lugar, de 2 GHz a 5 GHz, añadir condensadores no sirve prácticamente de nada para reducir el ruido de la fuente de alimentación. Esto se debe a que este rango de frecuencias es mayor que la frecuencia de resonancia del propio condensador.
2. Efecto de la ESR del condensador de desacoplamiento
En la estructura mixta del paquete y la PCB, coloque 12 condensadores de desacoplamiento y cambie su resistencia en serie equivalente (ESR). Los resultados de la simulación se muestran en la siguiente figura. Verá que la curva de ruido se vuelve más plana a medida que aumenta el valor de ESR. Este resultado nos indica que aumentar el ESR es beneficioso para suprimir el ruido de la fuente de alimentación.
3. Condensador de desacoplamiento ESL
En la estructura mixta del paquete y la PCB, coloque 12 condensadores de desacoplamiento y cambie su inductancia en serie equivalente (ESL). Los resultados de la simulación se muestran en la figura siguiente. Verá que la amplitud del punto de resonancia aumenta a medida que aumenta el valor de ESL. Como resultado, solo una ESL más pequeña de los condensadores de desacoplamiento es útil para reducir el ruido.
4. Número de condensadores de desacoplamiento
En una estructura de paquete único, realizamos 6 pruebas de tiempo y colocamos diferentes números de condensadores cada vez en el paquete.
Resultado de la medición:
Entre 0 y 200 MHz, 4 y 8 condensadores de desacoplamiento reducen el ruido de la fuente de alimentación. Se produce un nuevo punto de resonancia cerca de 400 MHz y el punto de resonancia posterior se produce a una frecuencia más alta.
Además, el ruido de la fuente de alimentación también se reduce cuando se colocan entre 12 y 52 condensadores de desacoplamiento. El punto de resonancia cerca de 400 MHz se hace más pequeño y el punto de resonancia de alta frecuencia se produce a una frecuencia más alta. Como resultado, el ruido de la fuente de alimentación disminuirá a medida que aumente el número de condensadores.
5. Efecto de la capacitancia del condensador de desacoplamiento
En la estructura combinada del paquete y la PCB, coloque condensadores con diferentes valores de capacitancia. Los resultados de la simulación son los siguientes:
Compare añadir 100 nF y 100 pF:
- Entre 0 y 300 MHz, el condensador grande de 100 n tiene un mejor efecto de supresión;
- Entre 500 y 800 MHz, un condensador pequeño de 100 pF tiene un mejor efecto.
- Añadir un condensador de 100 n resonará con toda la estructura del sistema a 400 MHz.
- Cuando se utiliza 100 n + 100 p, entre 200 y 600 MHz, el resultado es peor que utilizando simplemente 100 n y 100 p, y una frecuencia más baja o más alta no es mejor que un único valor de capacitancia.
- Cuando se utilizan tres valores de capacitancia de 100 n + 1 n + 100 p, se generan más puntos de resonancia.
Se debe tener especial cuidado en los sistemas electrónicos, ya que si el ruido generado por el circuito se encuentra justo en la frecuencia de resonancia, el ruido se amplifica y afecta o se irradia a la señal. Por lo tanto, la selección del valor de capacitancia debe determinarse de acuerdo con la banda de frecuencia que se va a suprimir. Una vez determinada la banda de frecuencia, se debe seleccionar el condensador de acuerdo con el punto de resonancia del mismo. Cuanto más bajos sean el ESL y el ESR del condensador, mejor.
6. Efecto del espesor del PCB
En primer lugar, la distancia entre la fuente de alimentación fija de la placa de circuito impreso y el plano de tierra es de 0,7 mm, y el grosor de la capa de alimentación del paquete se cambia a 1,6 mm, 0,8 mm, 0,4 mm y 0,15 mm, y los resultados se muestran en la figura.
Cuando el grosor de la capa de alimentación del paquete es cada vez mayor, el primer punto cero se desplaza a la baja frecuencia. Según la conclusión anterior, el ruido por debajo de 2 GHz proviene de la PCB y, según los resultados, el ruido acoplado desde la PCB también aumenta.
Después de 2 GHz, el ruido se ve afectado principalmente por el paquete. Se puede observar que el ruido también aumenta con el espesor, por lo que el espesor del plano de alimentación de reconocimiento tiene una gran influencia en los parámetros S.
A continuación, fijamos el grosor del paquete en 0,15 mm y cambiamos el grosor de la PCB a 0,15 mm, 0,4 mm, 0,8 mm y 1,6 mm, respectivamente. El efecto del grosor de la PCB en el parámetro S se muestra en la siguiente figura.
Podemos observar que el grosor de la capa de alimentación de la PCB tiene poco efecto en la tendencia general. Solo la parte de baja frecuencia presenta una ligera diferencia. El primer punto cero del grosor aumenta con un pequeño movimiento de alta frecuencia, y la parte de alta frecuencia solo presenta una ligera diferencia.
7. El efecto de la distancia de colocación del condensador
Sabemos que cuanto más cerca esté el condensador de desacoplamiento de la fuente de ruido, mejor, ya que reduce el valor de inductancia del condensador a la fuente de ruido. De esta forma, el condensador absorbe la sobretensión más rápidamente, reduce el ruido y estabiliza el voltaje. Del mismo modo, reducir el grosor de la capa de alimentación puede reducir la inductancia parásita del plano de alimentación, lo que también puede desempeñar la misma función.
En la simulación, cambiamos la distancia entre el condensador del paquete y el punto de prueba, que son 1,7 cm y 0,2 cm respectivamente. El grosor del paquete y la capa de alimentación de la PCB se divide en dos casos. El primer paquete es de 0,15 mm y la PCB es de 0,7 mm. En el segundo caso, el paquete es de 1,6 mm y la PCB de 0,7 mm, el condensador es de 100 nF, la ESR es de 0,04 ohmios y la ESL es de 0,63 nH.
Los resultados de la simulación muestran que podemos reducir la influencia del ruido disminuyendo el grosor de la capa de alimentación del paquete, cuando el condensador no se puede colocar cerca de la fuente de ruido debido a problemas de estructura del paquete o cableado.
Conclusión
En esta publicación, explicamos cómo se produce el ruido en la fuente de alimentación y cómo reducir su influencia en la PCB.
