Il disturbo dell’alimentazione è una sorta di interferenza elettromagnetica (EMI) dal sistema di distribuzione dell’alimentazione. Lo spettro di frequenza del suo rumore condotto è di circa 10kHz~30MHz, fino a 150MHz. Questo rumore può interferire con il normale funzionamento dei dispositivi elettronici e può causare distorsioni del segnale. Quindi, come puoi ridurre il rumore nell’alimentazione? Per rispondere a questa domanda e aiutarti a comprendere meglio i principi della riduzione del rumore nell’alimentazione, abbiamo creato questo articolo del blog. Iniziamo!
Cos'è il sistema di distribuzione dell'alimentazione (PDS)
Un sistema di distribuzione dell’alimentazione (PDS) è un dispositivo che distribuisce l’alimentazione a più dispositivi o componenti della scheda di circuito. Un design PDS scadente causerà risonanza strutturale e deterioramento della qualità dell’alimentazione. Di solito, il sistema PDS è costituito sia dal sistema di circuito che dal sistema di campo elettromagnetico (EMF). E l’EMF contiene l’alimentazione e il piano di massa. La figura seguente è uno schema di un PDS.
Come mostra l’immagine sopra, il disturbo dell’alimentazione viene generalmente generato dall’IC. Quindi, passa attraverso la connessione tra il Via del substrato e le sfere di saldatura sul package. Infine, raggiunge il sistema di alimentazione del PCB.
Tipi di rumore nell'alimentazione
1. Distorsione armonica
La distorsione armonica è un tipo di distorsione della forma d’onda quando un segnale viene amplificato. Un biasing improprio, un sovraccarico dell’amplificatore e una mancata corrispondenza dell’impedenza possono tutti causare distorsione armonica. Inoltre, può verificarsi anche quando un segnale analogico viene convertito in un segnale digitale.
2. Picco di tensione
Picchi di tensione, corrente ed energia sono transitori elettrici rapidi e di breve durata in un circuito elettrico. Questi transitori elettrici possono creare rumore sotto forma di picchi di corrente. Un picco di tensione ha solitamente un valore di picco di 6000 V e una durata da 1/10.000 di secondo a 1/2 ciclo (10 ms). I transitori elettrici sono principalmente dovuti a fulmini, scariche ad arco, scariche elettrostatiche o operazioni di commutazione di grandi apparecchiature elettriche. I picchi di tensione si verificano spesso in acciaierie, apparecchiature a tiristori, apparecchiature a scintilla, locomotive elettriche, ecc. Danneggeranno l’alimentatore switching, il filtro di ingresso, il raddrizzatore e persino il tubo di vibrazione principale del computer industriale.
3. Rumore di rimbalzo a massa
Il rumore di rimbalzo a massa (GBN) è un fenomeno che può verificarsi in circuiti elettronici. Quando una linea di segnale è collegata a un piano di massa con un’alta impedenza. L’alta impedenza può causare il “rimbalzo” del segnale dal piano di massa, causando interferenze e rumore.
Abbiamo progettato un PDS e realizzato 3 gruppi di confronto: un singolo Package, una singola PCB e l’intero sistema PDS. Lo scopo è misurare la differenza di GBN tra di essi. In questo processo, dobbiamo utilizzare gli strumenti includono analizzatore di rete, stazione Microtechprobe e sonda GS.
Dai risultati della misurazione nella figura precedente, possiamo vedere che i valori GBN delle tre strutture PDS sono piuttosto diversi.
Innanzitutto, nella modalità Single Package, GBN si comporta come un condensatore prima di 1,3 GHz e la modalità di risonanza viene generata dopo 1,5 GHz;
In secondo luogo, nel caso della modalità Single PCB, GBN ha modalità di risonanza dopo 0,5 GHz, come 0,73 GHz (TM01), 0,92 GHz (TM10), 1,17 GHz (TM11), il comportamento di GBN è peggiore rispetto a quello di Single Pkg.
Infine, nella struttura mista di Package e PCB, la frequenza GBN ha tre punti di risonanza in più rispetto a un singolo Package prima di 1,5 GHz. Queste risonanze di rumore provengono dal PCB e sono accoppiate all’alimentazione del Package tramite sfere di saldatura, Via, ecc. Influenzerà maggiormente i circuiti integrati nel package, ma diverso dalla struttura single package o PCB.
Come ridurre il rumore nell'alimentazione?
Ci sono alcuni modi per ridurre il rumore nell’alimentazione, inclusi i condensatori di disaccoppiamento, il filtraggio del rumore alla fonte. Qui discuteremo principalmente la sezione dei condensatori di disaccoppiamento.
Ottimizzazione dei condensatori di disaccoppiamento
Un modo efficace per sopprimere il rumore del piano di alimentazione è ottimizzare i condensatori di disaccoppiamento. Include la dimensione del condensatore, la posizione del condensatore, l’ESR del condensatore, l’ESL del condensatore e il numero di condensatori.
1. Posizione ideale per i condensatori di disaccoppiamento
Per analizzare l’influenza della posizione del condensatore di disaccoppiamento sul rumore dell’alimentazione, aggiungiamo condensatori di disaccoppiamento su Package e PCB rispettivamente, quindi misuriamo GBN.
Innanzitutto, nell’intervallo di 0,5 GHz, può ridurre notevolmente l’impedenza strutturale e ridurre le interferenze GBN indipendentemente dall’aggiunta di condensatori di disaccoppiamento su Package e PCB.
In secondo luogo, nell’intervallo da 0,5 GHz a 2 GHz, aggiungiamo condensatori di disaccoppiamento sia su Pkg che su PCB. Hanno lo stesso effetto sulla soppressione del rumore. Tuttavia, scoprirai che c’è un punto di risonanza aggiuntivo vicino a 0,8 GHz, se aggiungi solo condensatori sul PCB. È persino peggiore di non aggiungere condensatori. Pertanto, dobbiamo aggiungere condensatori di disaccoppiamento sia su Pkg che su PCB contemporaneamente.
In terzo luogo, da 2 GHz a 5 GHz, non è quasi utile ridurre il rumore dell’alimentazione aggiungendo condensatori. Perché questo intervallo di frequenza è più grande della frequenza di risonanza del condensatore stesso.
2. Effetto dell'ESR del condensatore di disaccoppiamento
Sulla struttura mista del package e del PCB, posiziona 12 condensatori di disaccoppiamento e modifica la loro resistenza serie equivalente (ESR). I risultati della simulazione sono mostrati nella figura sottostante. Scoprirai che la curva del rumore diventa più piatta all’aumentare del valore ESR. Questo risultato ci dice che aumentare l’ESR è vantaggioso per sopprimere il rumore dell’alimentazione.
3. ESL del condensatore di disaccoppiamento
Sulla struttura mista del Package e del PCB, posiziona 12 condensatori di disaccoppiamento e modifica la loro induttanza serie equivalente (ESL). I risultati della simulazione sono mostrati nella figura sottostante. Scoprirai che l’ampiezza del punto di risonanza diventa più grande all’aumentare del valore ESL. Di conseguenza, solo un ESL più piccolo dei condensatori di disaccoppiamento è utile per ridurre il rumore.
4. Numero di condensatori di disaccoppiamento
In una singola struttura di package, eseguiamo 6 test e posizioniamo un numero diverso di condensatori ogni volta sul package.
Risultato della misurazione:
Tra 0 e 200 MHz, 4 e 8 condensatori di disaccoppiamento riducono il rumore dell’alimentazione. Un nuovo punto di risonanza si verifica vicino a 400 MHz e il punto di risonanza successivo si verifica a una frequenza più alta.
Inoltre, il rumore dell’alimentazione viene ridotto anche posizionando da 12 a 52 condensatori di disaccoppiamento. Il punto di risonanza vicino a 400 MHz diventa più piccolo e il punto di risonanza ad alta frequenza si verifica a una frequenza più alta. Di conseguenza, il rumore dell’alimentazione diminuirà all’aumentare del numero di condensatori.
5. Effetto della capacità del condensatore di disaccoppiamento
Sulla struttura combinata di Package e PCB, posiziona condensatori con diversi valori di capacità. I risultati della simulazione sono i seguenti:
Confronta l’aggiunta di 100nF e 100pF:
- Tra 0 e 300Mhz, il condensatore grande da 100n ha un effetto di soppressione migliore;
- 500～800Mhz, il condensatore piccolo da 100p ha un effetto migliore;
- L’aggiunta di un condensatore da 100n risuonerà con l’intera struttura del sistema a 400Mz;
- Quando si utilizzano 100n+100p, 200~600Mhz, è peggiore rispetto all’utilizzo semplicemente di 100n e 100p, e le frequenze inferiori o superiori non sono migliori di un singolo valore di capacità;
- Quando vengono utilizzati tre valori di capacità di 100n+1n+100p, vengono generati più punti di risonanza.
È necessario prestare particolare attenzione nei sistemi elettronici, se il rumore generato dal circuito è proprio alla frequenza di risonanza, il rumore viene amplificato e influisce o irradia al segnale. Pertanto, la selezione del valore della capacità deve essere determinata in base alla banda di frequenza da sopprimere. Dopo aver determinato la banda di frequenza, il condensatore deve essere selezionato in base al punto di risonanza del condensatore. Più bassi sono l’ESL e l’ESR del condensatore, meglio è.
6. Effetto dello spessore del PCB
Innanzitutto, la distanza tra l’alimentazione fissa del PCB e il piano di massa è di 0,7 mm e lo spessore dello strato di alimentazione del Package viene modificato in 1,6 mm, 0,8 mm, 0,4 mm e 0,15 mm, e i risultati sono mostrati nella figura.
Quando lo spessore dello strato di alimentazione del Package diventa sempre più alto, il primo punto zero si sposta verso le basse frequenze. Dalla conclusione precedente, il rumore prima di 2Ghz proviene dal PCB e, dai risultati, il rumore accoppiato dal PCB diventa anch’esso più grande.
Dopo 2Ghz, è influenzato principalmente dal package. Si può vedere che il rumore aumenta anche con lo spessore, quindi lo spessore del piano di alimentazione riconosciuto ha una grande influenza sui parametri S.
Successivamente, abbiamo fissato lo spessore del Package a 0,15 mm e modificato lo spessore del PCB a 0,15 mm, 0,4 mm, 0,8 mm e 1,6 mm rispettivamente. L’effetto dello spessore del PCB sul parametro S è mostrato nella figura sottostante.
Possiamo vedere che lo spessore dello strato di alimentazione del PCB ha un effetto limitato sull’andamento generale. Solo la parte a bassa frequenza ha una piccola differenza. Il primo punto zero dello spessore aumenta con un piccolo movimento ad alta frequenza e la parte ad alta frequenza ha solo una leggera differenza.
7. L'effetto della distanza di posizionamento del condensatore
Sappiamo che più il condensatore di disaccoppiamento è vicino alla sorgente di rumore, meglio è, perché riduce il valore di induttanza dal condensatore alla sorgente di rumore. E in questo modo, il condensatore assorbe più velocemente il picco di tensione, riduce il rumore e raggiunge la funzione di stabilizzazione della tensione. Allo stesso modo, ridurre lo spessore dello strato di alimentazione può ridurre l’induttanza parassita del piano di alimentazione, il che può anche svolgere lo stesso ruolo.
Nella simulazione, cambiamo la distanza tra il condensatore sul package e il punto di test, che sono rispettivamente 1,7 cm e 0,2 cm. Lo spessore del package e dello strato di alimentazione del PCB è diviso in due casi. Il primo package è 0,15 mm e il PCB è 0,7 mm. Nel secondo caso, Package 1,6 mm e PCB 0,7 mm, condensatore 100nF, ESR 0,04ohm, ESL 0,63nH.
Si evince dai risultati della simulazione che possiamo ridurre l’influenza del rumore riducendo lo spessore dello strato di alimentazione del Package, quando il condensatore non può essere posizionato vicino alla sorgente di rumore a causa della struttura del package o dei problemi di cablaggio.
Conclusione
In questo post, introduciamo come si verifica il rumore dell’alimentazione e come ridurre la sua influenza sul PCB.
