Le bruit de l’alimentation électrique est un genre d’ interférence électromagnétique (EMI) provenant du système de distribution d’alimentation. Le spectre de fréquence de son bruit conducteur est d’environ 10 kHz~30 MHz, jusqu’à 150 MHz. Ce bruit peut interférer avec le fonctionnement normal des appareils électroniques et peut causer une distorsion du signal. Alors, comment réduire le bruit dans votre alimentation ? Pour répondre à cette question et vous aider à mieux comprendre les principes de réduction du bruit dans l’alimentation, nous avons rédigé cet article de blog. Commençons !
Qu'est-ce qu'un système de distribution d'alimentation (PDS) ?
Un système de distribution d’alimentation (PDS) est un dispositif qui distribue l’alimentation à plusieurs appareils ou composants de carte de circuit imprimé. Un mauvais design de PDS peut provoquer des résonances structurelles et une détérioration de la qualité de l’alimentation. Le système PDS consiste généralement à la fois dans le système de circuit et dans le système de champ électromagnétique (EMF). L’EMF contient l’alimentation et le plan de masse. La figure ci-dessous est un schéma d’un PDS.
Comme l’image ci-dessus le montre, le bruit de l’alimentation électrique est généralement généré par l’IC. Il passe ensuite par la connexion entre le Via du substrat et les boules de soudure sur le boîtier. Enfin, il atteint le système d’alimentation de la carte de circuit imprimé.
Types de bruit dans l'alimentation
1. Distorsion harmonique
Harmonic distortion is a type of waveform distortion when a signal is amplified. Improper biasing, amplifier overloading, and impedance mismatching can all cause harmonic distortion. In addtion,it can also occurs when an analog signal is converted to a digital signal.
2. Voltage Spike
Voltage, current, and energy spikes are rapid, short-lived electrical transients in an electrical circuit. These electrical transients can create noise in the form of spikes in current. A voltage spike usually has a 6000V peak value and a duration from 1/10,000th of a second to 1/2 cycle (10 ms). The electrical transients are mainly due to lightning strikes, arcing, static discharge or switching operations of large electrical equipment. Voltage spikes often occur in steel mills, thyristor equipment, spark equipment, electric locomotives, etc. It will destroy the switching power supply, input filter, rectifier and even the main vibration tube of the industrial computer.
3. Ground Bounce Noise
Ground bounce noise (GBN) is a phenomenon that can occur in electronic circuits. When a signal line is connected to a ground plane with a high impedance. The high impedance can cause the signal to « bounce » off the ground plane, causing interference and noise.
We designed a PDS and made 3 comparison groups: a single Package, a single PCB, and the entire PDS system. The purpose is to measure the difference in GBN between them. In this process, we need to use the tools include network analyzer, Microtechprobe station, and GS probe.
Deshalb zeigen die Messergebnisse in der obigen Abbildung, dass die GBN-Werte der drei PDS-Strukturen deutlich unterschiedlich sind.
Erstens verhält sich im Einzelpaketmodus das GBN wie ein Kondensator bis 1,3 GHz und tritt der Resonanzmodus nach 1,5 GHz auf;
Zweitens hat das GBN im Einzel-PCB-Modus Resonanzmodi ab 0,5 GHz, wie z. B. 0,73 GHz (TM01), 0,92 GHz (TM10) und 1,17 GHz (TM11). Das GBN-Verhalten ist schlechter als bei einem Einzelpaket.
Schließlich hat die gemischte Struktur aus Paket und PCB drei zusätzliche Resonanzpunkte vor 1,5 GHz im Vergleich zu einem Einzelpaket. Diese Rauschresonanzen entstehen durch die PCB und werden über Lötbolzen, Durchkontaktierungen usw. mit der Stromversorgung des Pakets gekoppelt. Sie wirken sich stärker auf die ICs im Paket aus, aber anders als bei einem Einzelpaket oder einer PCB-Struktur.
Comment réduire le bruit dans l'alimentation ?
Il existe plusieurs façons de réduire le bruit dans votre alimentation, notamment les condensateurs de découplage et le filtrage du bruit à la source. Ici, nous discuterons principalement de la section des condensateurs de découplage.
Optimisation des condensateurs de découplage
Une façon efficace de supprimer le bruit du plan d’alimentation consiste à optimiser les condensateurs de découplage. Cela comprend la taille du condensateur, l’emplacement du condensateur, la résistance série équivalente (ESR) du condensateur, la inductance série équivalente (ESL) du condensateur et le nombre de condensateurs.
1. Emplacement idéal pour les condensateurs de découplage
Afin d’analyser l’influence de la position du condensateur de découplage sur le bruit de l’alimentation, nous ajoutons des condensateurs de découplage sur le Package et la PCB, respectivement, et mesurons ensuite le GBN.
Tout d’abord, dans la plage de 0,5 GHz, il peut réduire considérablement l’impédance structurelle et réduire les interférences GBN, que vous ajoutiez ou non des condensateurs de découplage sur le boîtier et la carte de circuit imprimé.
Deuxièmement, dans la plage de 0,5 GHz à 2 GHz, nous ajoutons des condensateurs de découplage à la fois sur le boîtier et la carte de circuit imprimé. Ils ont le même effet sur la suppression du bruit. Cependant, vous constaterez un point de résonance supplémentaire à proximité de 0,8 GHz si vous n’ajoutez que des condensateurs sur la carte de circuit imprimé. C’est pire que de ne pas ajouter de condensateurs du tout.
Troisièmement, de 2 GHz à 5 GHz, il est presque inutile de réduire le bruit de l’alimentation en ajoutant des condensateurs. Puisque cette plage de fréquences est supérieure à la fréquence de résonance de l’inductance elle-même.
2. Effet de la résistance série équivalente (ESR) des condensateurs de découplage
Sur la structure mixte du boîtier et de la carte de circuit imprimé, placez 12 condensateurs de découplage et modifiez leur résistance série équivalente (ESR). Les résultats de la simulation sont présentés dans la figure ci-dessous. Vous constaterez que la courbe du bruit devient plus plate, à mesure que la valeur de l’ESR augmente. Ce résultat nous indique que l’augmentation de l’ESR est bénéfique pour supprimer le bruit de l’alimentation.
3. ESL des condensateurs de découplage
Sur la structure mixte du boîtier et de la carte de circuit imprimé, placez 12 condensateurs de découplage et modifiez leur inductance série équivalente (ESL). Les résultats de la simulation sont présentés dans la figure ci-dessous. Vous constaterez que l’amplitude du point de résonance augmente à mesure que la valeur de l’ESL augmente. En conséquence, une ESL plus faible des condensateurs de découplage ne contribue qu’à réduire le bruit.
4. Nombre de condensateurs de découplage
Dans une structure de boîtier unique, nous effectuons 6 tests et plaçons différents nombres de condensateurs à chaque fois sur le boîtier.
Résultat de la mesure :
Entre 0 et 200 MHz, 4 et 8 condensateurs de découplage réduisent le bruit de l’alimentation électrique. Un nouveau point de résonance se produit près de 400 MHz et le point de résonance ultérieur se produit à une fréquence plus élevée.
De plus, le bruit de l’alimentation électrique est également réduit lorsque l’on place de 12 à 52 condensateurs de découplage. Le point de résonance près de 400 MHz se rétrécit et le point de résonance à haute fréquence se produit à une fréquence plus élevée. Par conséquent, le bruit de l’alimentation électrique diminuera à mesure que le nombre de condensateurs augmentera.
5. Effet de la capacitance des condensateurs de découplage
Sur la structure combinée de l’Emballage et du PCB, placer des condensateurs avec différentes valeurs de capacitance. Les résultats de la simulation sont les suivants :
Comparer l’ajout de 100nF et 100pF :
- Entre 0 et 300Mhz, le grand condensateur de 100n a un meilleur effet d’étouffement ;
- 500 MHz à 800Mhz, le petit condensateur de 100p a un meilleur effet ;
- L’ajout d’un condensateur de 100n résonne avec toute la structure du système à 400Mz ;
- Lorsque l’on utilise 100n+100p, entre 200 et 600Mhz, il est pire que simplement utiliser 100n et 100p, et la fréquence inférieure ou supérieure n’est pas meilleure qu’une seule valeur de capacitance ;
- Lorsque trois valeurs de capacitance de 100n+1n+100p sont utilisées, plus de points de résonance sont générés.
Il faut faire preuve de précautions particulières dans les systèmes électroniques, si le bruit généré par le circuit est juste à la fréquence de résonance, le bruit est amplifié et affecte ou rayonne vers le signal. Par conséquent, la valeur de la capacitance doit être déterminée en fonction de la bande de fréquence à supprimer. Une fois la bande de fréquence déterminée, le condensateur doit être sélectionné en fonction du point de résonance du condensateur. Plus ESL et ESR du condensateur sont faibles, mieux c’est.
6. Effet de l'épaisseur du PCB
Tout d’abord, la distance entre l’alimentation PCB fixe et le plan de masse est de 0,7 mm, et l’épaisseur de la couche d’alimentation du boîtier est de 1,6 mm, 0,8 mm, 0,4 mm et 0,15 mm, et les résultats sont présentés sur la figure.
Lorsque l’épaisseur de la couche d’alimentation du boîtier augmente, le premier point zéro se déplace vers les basses fréquences. À partir de la conclusion précédente, le bruit avant 2 GHz provient du PCB, et à partir des résultats, le bruit couplé du PCB devient également plus important.
Après 2 GHz, il est principalement affecté par le boîtier. Il peut être constaté que le bruit augmente également avec l’épaisseur, de sorte que l’épaisseur du plan d’alimentation reconnu a une grande influence sur les paramètres S.
Ensuite, nous avons fixé l’épaisseur du boîtier à 0,15 mm et avons modifié l’épaisseur du PCB à 0,15 mm, 0,4 mm, 0,8 mm et 1,6 mm, respectivement. L’effet de l’épaisseur du PCB sur le paramètre S est présenté dans la figure ci-dessous.
On peut voir que l’épaisseur de la couche d’alimentation du PCB a peu d’influence sur la tendance générale. Seul le faible niveau de fréquence présente de légères différences. Le premier point zéro de l’épaisseur augmente avec un léger mouvement à haute fréquence, et la partie à haute fréquence n’a qu’une légère différence.
7. L'effet du placement des condensateurs.
Nous savons qu’en rapprochant les condensateurs de dérivation de la source de bruit, le mieux c’est, car cela réduit la valeur d’inductance du condensateur à la source de bruit. De cette façon, le condensateur absorbe plus rapidement les surtensions, réduit le bruit et assure la stabilisation de la tension. De même, réduire l’épaisseur de la couche d’alimentation peut réduire l’inductance parasite de la couche d’alimentation, ce qui peut également jouer le même rôle.
Dans la simulation, nous modifions la distance entre le condensateur sur le boîtier et le point de test, qui sont de 1,7 cm et 0,2 cm respectivement. L’épaisseur du boîtier et de la couche d’alimentation du PCB sont divisées en deux cas. Le premier boîtier est de 0,15 mm et le PCB est de 0,7 mm. Dans le deuxième cas, Boîtier 1,6 mm et PCB 0,7 mm, condensateur 100 nF, ESR 0,04 ohm, ESL 0,63 nH.
Les résultats de la simulation montrent que nous pouvons réduire l’influence du bruit en réduisant l’épaisseur de la couche d’alimentation du boîtier, lorsque le condensateur ne peut pas être placé à proximité de la source de bruit en raison de la structure du boîtier ou des problèmes de câblage.
Conclusion
Dans cet article, nous présentons comment le bruit de l’alimentation se produit et comment réduire son influence sur le PCB.
