Güç kaynağı gürültüsü, güç dağıtım sisteminden kaynaklanan bir tür elektromanyetik parazittir (EMI). İletilen gürültünün frekans spektrumu yaklaşık 10 kHz ile 30 MHz arasındadır ve 150 MHz’e kadar çıkabilir. Bu gürültü, elektronik cihazların normal çalışmasını engelleyebilir ve sinyal bozulmasına neden olabilir. Peki, güç kaynağınızdaki gürültüyü nasıl azaltabilirsiniz? Bu soruyu yanıtlamak ve güç kaynağındaki gürültüyü azaltma ilkelerini daha iyi anlamanıza yardımcı olmak için bu blog yazısını hazırladık. Hadi başlayalım!
Güç dağıtım sistemi (PDS) nedir?
Güç dağıtım sistemi (PDS), gücü birden fazla cihaza veya devre kartı bileşenine dağıtan bir cihazdır. Kötü tasarlanmış bir PDS, yapısal rezonansa ve güç kalitesinin bozulmasına neden olur. Genellikle PDS sistemi, hem devre sisteminden hem de elektromanyetik alan (EMF) sisteminden oluşur. EMF ise güç kaynağını ve toprak düzlemini içerir. Aşağıdaki şekil, bir PDS'nin şematik diyagramını göstermektedir.
Yukarıdaki resimde görüldüğü gibi, güç kaynağı gürültüsü genellikle IC'den kaynaklanır. Ardından, alt tabaka Via'sı ile paket üzerindeki lehim topları arasındaki bağlantıdan geçer. Son olarak, PCB'nin güç kaynağı sistemine ulaşır.
Güç Kaynağındaki Gürültü Türleri
1. Harmonik bozulma
Harmonik bozulma, bir sinyalin güçlendirilmesi sırasında ortaya çıkan bir dalga formu bozulması türüdür. Yanlış ön gerilim ayarı, amplifikatörün aşırı yüklenmesi ve empedans uyumsuzluğu, harmonik bozulmaya neden olabilir. Ayrıca, analog bir sinyalin dijital sinyale dönüştürülmesi sırasında da ortaya çıkabilir.
2. Gerilim Dalgalanması
Gerilim, akım ve enerji dalgalanmaları, bir elektrik devresinde meydana gelen hızlı ve kısa süreli elektriksel geçici durumlardır. Bu elektriksel geçici durumlar, akım dalgalanmaları şeklinde gürültüye neden olabilir. Bir gerilim dalgalanmasının tepe değeri genellikle 6000 V olup, süresi 1/10.000 saniyeden 1/2 devreye (10 ms) kadar değişir. Elektriksel geçici akımlar çoğunlukla yıldırım çarpmaları, ark oluşumu, statik deşarj veya büyük elektrikli ekipmanların anahtarlama işlemlerinden kaynaklanır. Gerilim dalgalanmaları genellikle çelik fabrikalarında, tristör ekipmanlarında, kıvılcım ekipmanlarında, elektrikli lokomotiflerde vb. meydana gelir. Bu durum, anahtarlama güç kaynağını, giriş filtresini, redresörü ve hatta endüstriyel bilgisayarın ana titreşim tüpünü tahrip eder.
3. Zemin Yansıma Gürültüsü
Toprak sıçrama gürültüsü (GBN), elektronik devrelerde ortaya çıkabilen bir olgudur. Bir sinyal hattı, yüksek empedanslı bir toprak düzlemine bağlandığında, bu yüksek empedans sinyalin toprak düzleminden "sıçramasına" neden olarak parazit ve gürültüye yol açabilir.
Bir PDS tasarladık ve 3 karşılaştırma grubu oluşturduk: tek bir paket, tek bir PCB ve tüm PDS sistemi. Amaç, bunlar arasındaki GBN farkını ölçmektir. Bu süreçte ağ analizörü, Microtechprobe istasyonu ve GS probu gibi araçları kullanmamız gerekiyor.
Yukarıdaki şekildeki ölçüm sonuçlarından, üç PDS yapısının GBN değerlerinin birbirinden oldukça farklı olduğu görülmektedir.
Öncelikle, tek Paket modunda, GBN 1,3 GHz'den önce bir kondansatör gibi davranır ve rezonans modu 1,5 GHz'den sonra oluşur;
İkinci olarak, tek PCB modunda, GBN'nin 0,5 GHz'den sonra 0,73 GHz (TM01), 0,92 GHz (TM10), 1,17 GHz (TM11) gibi rezonans modları vardır; GBN davranışı, tek Pkg'den daha kötüdür.
Son olarak, Paket ve PCB'nin karışık yapısında, GBN frekansı 1,5 GHz'den önce tek bir Pakete göre üç rezonans noktası daha fazladır. Bu gürültü rezonansları PCB'den gelir ve lehim topları, Via vb. yoluyla Paketin güç kaynağına bağlanır. Bu, paketteki IC'leri daha fazla etkileyecektir, ancak tek paket veya PCB yapısından farklıdır.
Güç Kaynağındaki Gürültüyü Nasıl Azaltabilirim?
Güç kaynağınızdaki gürültüyü azaltmanın birkaç yolu vardır; bunlar arasında dekuplaj kondansatörleri ve gürültüyü kaynağında filtrelemek sayılabilir. Burada esas olarak dekuplaj kondansatörleri konusunu ele alacağız.
Ayırma Kondansatörlerinin Optimize Edilmesi
Güç katmanındaki gürültüyü bastırmanın etkili bir yolu, dekuplaj kondansatörlerini optimize etmektir. Bu, kondansatör boyutunu, kondansatörün konumunu, kondansatörün ESR değerini, kondansatörün ESL değerini ve kondansatör sayısını içerir.
1. Ayırma kondansatörleri için ideal konum
Güç kaynağı gürültüsü üzerinde dekuplaj kondansatörünün konumunun etkisini analiz etmek amacıyla, sırasıyla devre kartı ve PCB üzerine dekuplaj kondansatörleri ekledik ve ardından GBN değerini ölçtük.
Öncelikle, 0,5 GHz aralığında, paket ve PCB üzerine dekuplaj kondansatörleri eklenip eklenmemesine bakılmaksızın, yapısal empedansı önemli ölçüde azaltabilir ve GBN parazitini azaltabilir.
İkincisi, 0,5 GHz ~ 2 GHz aralığında, hem Pkg hem de PCB üzerine dekuplaj kapasitörleri ekliyoruz. Bunlar, gürültü bastırma üzerinde aynı etkiye sahiptir. Ancak, yalnızca PCB üzerine kapasitörler eklerseniz, 0,8 GHz civarında ek bir rezonans noktası olduğunu göreceksiniz. Bu, kapasitör eklememekten bile daha kötüdür. Bu nedenle, hem Pkg hem de PCB'ye aynı anda dekuplaj kondansatörleri eklememiz gerekir.
Üçüncüsü, 2 GHz ile 5 GHz arasında, kondansatör ekleyerek güç kaynağı gürültüsünü azaltmak neredeyse hiç işe yaramaz. Çünkü bu frekans aralığı, kondansatörün kendi rezonans frekansından daha geniştir.
2. Ayırma Kondansatörünün ESR'sinin Etkisi
Paket ve PCB'nin karma yapısı üzerine 12 adet dekuplaj kondansatörü yerleştirin ve bunların eşdeğer seri direncini (ESR) değiştirin. Simülasyon sonuçları aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. ESR değeri arttıkça gürültü eğrisinin daha düz hale geldiğini göreceksiniz. Bu sonuç, ESR'yi artırmanın güç kaynağı gürültüsünü bastırmak açısından faydalı olduğunu göstermektedir.
3. Ayrıştırma kondansatörü ESL
Paket ve PCB'nin karma yapısı üzerine 12 adet dekuplaj kondansatörü yerleştirin ve bunların Eşdeğer Seri İndüktansını (ESL) değiştirin. Simülasyon sonuçları aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. ESL değeri arttıkça rezonans noktası genliğinin büyüdüğünü göreceksiniz. Sonuç olarak, gürültüyü azaltmak için yalnızca daha düşük ESL değerine sahip dekuplaj kondansatörleri yararlıdır.
4. Ayrıştırma kondansatörlerinin sayısı
Tek bir paket yapısında, 6 kez test gerçekleştiriyoruz ve her seferinde pakete farklı sayıda kondansatör yerleştiriyoruz.
Ölçüm sonucu:
0 ile 200 MHz arasında, 4 ve 8 adet dekuplaj kondansatörü güç kaynağının gürültüsünü azaltır. 400 MHz civarında yeni bir rezonans noktası oluşur ve sonraki rezonans noktası daha yüksek bir frekansta ortaya çıkar.
Ayrıca, 12 ila 52 adet dekuplaj kondansatörü yerleştirildiğinde de güç kaynağının gürültüsü azalır. 400 MHz civarındaki rezonans noktası küçülür ve yüksek frekanslı rezonans noktası daha yüksek bir frekansta ortaya çıkar. Sonuç olarak, kondansatör sayısı arttıkça güç kaynağının gürültüsü azalır.
5. Ayırma Kondansatörünün Kapasitansının Etkisi
Paket ve PCB'nin birleşik yapısı üzerine, farklı kapasitans değerlerine sahip kondansatörler yerleştirin. Simülasyon sonuçları şu şekildedir:
100 nF ile 100 pF'yi karşılaştırın:
- 0 ile 300 MHz arasında, 100nF'lik büyük kondansatör daha iyi bastırma etkisine sahiptir;
- 500～800 MHz aralığında, 100 pF'lik küçük kondansatör daha iyi etki gösterir;
- 100n kapasitör eklemek, 400Mz'de tüm sistem yapısı ile rezonansa girer;
- 100n+100p kullanıldığında, 200~600Mhz aralığında, sadece 100n ve 100p kullanmaktan daha kötüdür ve daha düşük veya daha yüksek frekans, tek bir kapasitans değerinden daha iyi değildir;
- 100n+1n+100p olmak üzere üç kapasitans değeri kullanıldığında, daha fazla rezonans noktası oluşur.
Elektronik sistemlerde özel dikkat gösterilmelidir; devre tarafından üretilen gürültü tam olarak rezonans frekansında ise, gürültü amplifiye olur ve sinyali etkiler veya sinyale yayılır. Bu nedenle, kapasitans değerinin seçimi, bastırılacak frekans bandına göre belirlenmelidir. Frekans bandı belirlendikten sonra, kondansatör kondansatörün rezonans noktasına göre seçilmelidir. Kondansatörün ESL ve ESR değeri ne kadar düşükse o kadar iyidir.
6. PCB kalınlığının etkisi
İlk olarak, sabit PCB güç kaynağı ile toprak düzlemi arasındaki mesafe 0,7 mm olup, Paket güç kaynağı katmanının kalınlığı sırasıyla 1,6 mm, 0,8 mm, 0,4 mm ve 0,15 mm olarak değiştirilmiştir; sonuçlar şekilde gösterilmiştir.
Paket güç kaynağı katmanının kalınlığı gittikçe arttıkça, ilk sıfır noktası düşük frekansa kaymaktadır. Önceki sonuçtan, 2 GHz'den önceki gürültünün PCB'den kaynaklandığı ve sonuçlardan, PCB'den kaynaklanan gürültünün de arttığı anlaşılmaktadır.
2 GHz'den sonra, gürültü esas olarak paketten etkilenir. Gürültünün de kalınlıkla arttığı görülebilir, bu nedenle onaylanan güç düzleminin kalınlığı S parametreleri üzerinde büyük bir etkiye sahiptir.
Ardından, paket kalınlığını 0,15 mm olarak sabitledik ve PCB kalınlığını sırasıyla 0,15 mm, 0,4 mm, 0,8 mm ve 1,6 mm olarak değiştirdik. PCB kalınlığının S parametresi üzerindeki etkisi aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
PCB güç katmanının kalınlığının genel eğilim üzerinde çok az etkisi olduğunu görebiliriz. Yalnızca düşük frekanslı kısımda küçük bir fark vardır. Kalınlığın ilk sıfır noktası, yüksek frekansta küçük bir hareketle artar ve yüksek frekanslı kısımda da sadece hafif bir fark görülür.
7. Kondansatör yerleştirme mesafesinin etkisi
Ayırma kondansatörünün gürültü kaynağına ne kadar yakın olursa o kadar iyi olduğunu biliyoruz; çünkü bu, kondansatörden gürültü kaynağına giden endüktans değerini azaltır. Böylelikle kondansatör, dalgalanmayı daha hızlı emer, gürültüyü azaltır ve gerilimi dengeleme işlevini yerine getirir. Benzer şekilde, güç katmanının kalınlığını azaltmak da güç düzleminin parazitik endüktansını düşürebilir ve bu da aynı işlevi görebilir.
Simülasyonda, paket üzerindeki kondansatör ile test noktası arasındaki mesafeyi değiştiriyoruz; bu mesafeler sırasıyla 1,7 cm ve 0,2 cm'dir. Paketin ve PCB güç katmanının kalınlığı iki duruma ayrılmıştır. İlk pakette kalınlık 0,15 mm, PCB'de ise 0,7 mm'dir. İkinci durumda ise paket 1,6 mm, PCB 0,7 mm, kondansatör 100 nF, ESR 0,04 ohm ve ESL 0,63 nH'dir.
Simülasyon sonuçlarından, paket yapısı veya kablolama sorunları nedeniyle kondansatörün gürültü kaynağının yakınına yerleştirilemediği durumlarda, paketin Güç katmanının kalınlığını azaltarak gürültünün etkisini azaltabileceğimiz bilinmektedir.
Sonuç
Bu yazımızda, güç kaynağı gürültüsünün nasıl oluştuğunu ve bunun PCB üzerindeki etkisini nasıl azaltabileceğimizi ele alıyoruz.
