Gangguan daya adalah salah satu jenis gangguan elektromagnetik (EMI) yang berasal dari sistem distribusi daya. Spektrum frekuensi gangguan yang ditransmisikan melalui konduksi ini berkisar antara 10 kHz hingga 30 MHz, bahkan bisa mencapai 150 MHz. Gangguan ini dapat mengganggu pengoperasian normal perangkat elektronik dan menyebabkan distorsi sinyal. Lalu, bagaimana cara mengurangi gangguan pada catu daya Anda? Untuk menjawab pertanyaan ini dan membantu Anda memahami prinsip-prinsip pengurangan gangguan pada catu daya, kami telah menyusun postingan blog ini. Mari kita mulai!
Apa itu sistem distribusi listrik (PDS)?
Sistem distribusi daya (PDS) adalah perangkat yang mendistribusikan daya ke beberapa perangkat atau komponen papan sirkuit. Desain PDS yang buruk akan menyebabkan resonansi struktural dan penurunan kualitas daya. Biasanya, sistem PDS terdiri dari sistem sirkuit dan sistem medan elektromagnetik (EMF). Sistem EMF mencakup catu daya dan bidang ground. Gambar di bawah ini adalah diagram skematik dari sebuah PDS.
Seperti yang terlihat pada gambar di atas, gangguan pada catu daya umumnya berasal dari IC. Kemudian, gangguan tersebut menyebar melalui sambungan antara Via substrat dan bola solder pada kemasan. Akhirnya, gangguan tersebut mencapai sistem catu daya PCB.
Jenis-jenis Gangguan pada Catu Daya
1. Distorsi harmonik
Distorsi harmonik adalah jenis distorsi bentuk gelombang yang terjadi saat sinyal diperkuat. Pengaturan bias yang tidak tepat, kelebihan beban pada penguat, dan ketidakcocokan impedansi dapat menyebabkan distorsi harmonik. Selain itu, distorsi ini juga dapat terjadi saat sinyal analog diubah menjadi sinyal digital.
2. Lonjakan Tegangan
Lonjakan tegangan, arus, dan energi adalah fenomena transien listrik yang terjadi secara tiba-tiba dan berdurasi singkat dalam suatu rangkaian listrik. Fenomena transien listrik ini dapat menimbulkan gangguan dalam bentuk lonjakan arus. Lonjakan tegangan biasanya memiliki nilai puncak sebesar 6000 V dan berdurasi antara 1/10.000 detik hingga 1/2 siklus (10 ms). Transien listrik ini terutama disebabkan oleh sambaran petir, busur listrik, pelepasan muatan statis, atau operasi pengalihan peralatan listrik besar. Lonjakan tegangan sering terjadi di pabrik baja, peralatan thyristor, peralatan percikan api, lokomotif listrik, dll. Hal ini akan merusak catu daya switching, filter input, penyearah, dan bahkan tabung getaran utama komputer industri.
3. Gangguan pantulan tanah
Gangguan pantulan ground (GBN) adalah fenomena yang dapat terjadi pada rangkaian elektronik. Fenomena ini terjadi ketika jalur sinyal dihubungkan ke bidang ground yang memiliki impedansi tinggi. Impedansi tinggi tersebut dapat menyebabkan sinyal "memantul" dari bidang ground, sehingga menimbulkan gangguan dan noise.
Kami merancang sebuah PDS dan membentuk tiga kelompok perbandingan: satu paket, satu PCB, dan sistem PDS secara keseluruhan. Tujuannya adalah untuk mengukur perbedaan GBN di antara ketiganya. Dalam proses ini, kami perlu menggunakan alat-alat seperti network analyzer, stasiun Microtechprobe, dan probe GS.
Dari hasil pengukuran pada gambar di atas, dapat dilihat bahwa nilai GBN dari ketiga struktur PDS tersebut cukup berbeda.
Pertama-tama, pada mode Paket Tunggal, GBN berperilaku seperti kapasitor sebelum 1,3 GHz, dan mode resonansi muncul setelah 1,5 GHz;
Kedua, dalam kasus mode PCB tunggal, GBN memiliki mode resonansi setelah 0,5 GHz, seperti 0,73 GHz (TM01), 0,92 GHz (TM10), 1,17 GHz (TM11), perilaku GBN lebih buruk daripada Pkg tunggal.
Terakhir, pada struktur campuran antara Package dan PCB, frekuensi GBN memiliki tiga titik resonansi lebih banyak daripada struktur Package tunggal sebelum 1,5 GHz. Resonansi noise ini berasal dari PCB dan terhubung ke catu daya Package melalui bola timah, Via, dll. Hal ini akan lebih memengaruhi IC dalam package, namun berbeda dengan struktur Package tunggal atau PCB.
Bagaimana Cara Mengurangi Kebisingan pada Catu Daya?
Ada beberapa cara untuk mengurangi gangguan pada catu daya Anda, termasuk menggunakan kapasitor pemisah dan menyaring gangguan pada sumbernya. Di sini, kita akan membahas secara khusus bagian mengenai kapasitor pemisah.
Optimasi Kapasitor Pemisah
Salah satu cara efektif untuk menekan gangguan pada jalur daya adalah dengan mengoptimalkan kapasitor pemisah. Hal ini mencakup ukuran kapasitor, letak kapasitor, ESR kapasitor, ESL kapasitor, dan jumlah kapasitor.
1. Lokasi yang ideal untuk kapasitor pemisah
Untuk menganalisis pengaruh posisi kapasitor decoupling terhadap gangguan pada catu daya, kami memasang kapasitor decoupling masing-masing pada kemasan dan PCB, kemudian mengukur GBN.
Pertama-tama, pada rentang frekuensi 0,5 GHz, hal ini dapat secara signifikan mengurangi impedansi struktural dan meminimalkan gangguan GBN, baik dengan atau tanpa penambahan kapasitor dekopling pada kemasan (package) dan PCB.
Kedua, pada rentang 0,5 GHz hingga 2 GHz, kami menambahkan kapasitor decoupling baik pada Pkg maupun PCB. Keduanya memberikan efek yang sama dalam menekan noise. Namun, Anda akan menemukan titik resonansi tambahan di dekat 0,8 GHz jika hanya menambahkan kapasitor pada PCB. Hal ini bahkan lebih buruk daripada tidak menambahkan kapasitor sama sekali. Oleh karena itu, kita perlu menambahkan kapasitor decoupling baik pada Pkg maupun PCB secara bersamaan.
Ketiga, pada rentang frekuensi 2 GHz hingga 5 GHz, penambahan kapasitor hampir tidak membantu dalam mengurangi noise catu daya. Hal ini karena rentang frekuensi tersebut lebih besar daripada frekuensi resonansi kapasitor itu sendiri.
2. Pengaruh ESR Kapasitor Pemisah
Pada struktur gabungan antara kemasan dan PCB, pasang 12 kapasitor decoupling dan ubah resistansi seri ekivalen (ESR) masing-masing. Hasil simulasi ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Anda akan melihat bahwa kurva gangguan menjadi lebih datar seiring dengan meningkatnya nilai ESR. Hasil ini menunjukkan bahwa peningkatan ESR bermanfaat untuk menekan gangguan pada catu daya.
3. Kapasitor pemisah ESL
Pada struktur gabungan antara kemasan dan PCB, pasang 12 kapasitor pemisah dan ubah Induktansi Seri Ekivalen (ESL)-nya. Hasil simulasi ditunjukkan pada gambar di bawah ini. Anda akan melihat bahwa amplitudo titik resonansi menjadi lebih besar seiring dengan meningkatnya nilai ESL. Akibatnya, hanya kapasitor pemisah dengan nilai ESL yang lebih kecil yang efektif dalam mengurangi gangguan.
4. Jumlah kapasitor pemisah
Dalam struktur kemasan tunggal, kami melakukan 6 kali pengujian dan menempatkan jumlah kapasitor yang berbeda-beda pada setiap kemasan.
Hasil pengukuran:
Pada rentang 0 hingga 200 MHz, 4 hingga 8 kapasitor pemisah mengurangi gangguan pada catu daya. Titik resonansi baru muncul di sekitar 400 MHz dan titik resonansi berikutnya terjadi pada frekuensi yang lebih tinggi.
Selain itu, kebisingan catu daya juga berkurang saat menempatkan 12 hingga 52 kapasitor pemisah. Titik resonansi di sekitar 400 MHz menjadi lebih kecil dan titik resonansi frekuensi tinggi terjadi pada frekuensi yang lebih tinggi. Akibatnya, kebisingan catu daya akan berkurang seiring bertambahnya jumlah kapasitor.
5. Pengaruh Kapasitansi Kapasitor Pemisah
Pada struktur gabungan antara kemasan dan PCB, pasang kapasitor dengan nilai kapasitansi yang berbeda-beda. Hasil simulasi adalah sebagai berikut:
Bandingkan penambahan kapasitor 100nF dan 100pF:
- Pada rentang 0 hingga 300 MHz, kapasitor besar 100nF memiliki efek penekanan yang lebih baik;
- Pada rentang 500–800 MHz, kapasitor kecil 100 pF memiliki efek yang lebih baik;
- Menambahkan kapasitor 100n akan beresonansi dengan seluruh struktur sistem pada 400Mz;
- Saat menggunakan 100n+100p, pada rentang 200–600 MHz, kinerjanya lebih buruk daripada hanya menggunakan 100n dan 100p, dan baik pada frekuensi lebih rendah maupun lebih tinggi, kinerjanya tidak lebih baik daripada menggunakan nilai kapasitansi tunggal;
- Saat menggunakan tiga nilai kapasitansi 100n+1n+100p, lebih banyak titik resonansi yang dihasilkan.
Perhatian khusus harus diberikan pada sistem elektronik; jika noise yang dihasilkan oleh sirkuit berada tepat pada frekuensi resonansi, noise tersebut akan diperkuat dan memengaruhi atau memancar ke sinyal. Oleh karena itu, pemilihan nilai kapasitansi harus ditentukan sesuai dengan rentang frekuensi yang akan ditekan. Setelah rentang frekuensi ditentukan, kapasitor harus dipilih sesuai dengan titik resonansi kapasitor. Semakin rendah nilai ESL dan ESR kapasitor, semakin baik.
6. Pengaruh ketebalan PCB
Pertama, jarak antara catu daya PCB tetap dan bidang ground adalah 0,7 mm, sedangkan ketebalan lapisan catu daya kemasan diubah menjadi 1,6 mm, 0,8 mm, 0,4 mm, dan 0,15 mm; hasilnya ditunjukkan pada gambar.
Ketika ketebalan lapisan catu daya Paket semakin tinggi, titik nol pertama bergerak ke frekuensi rendah. Dari kesimpulan sebelumnya, noise sebelum 2Ghz berasal dari PCB, dan dari hasilnya, noise yang digabungkan dari PCB juga menjadi lebih besar.
Setelah 2 GHz, hal ini terutama dipengaruhi oleh paket. Dapat dilihat bahwa noise juga meningkat seiring dengan ketebalan, sehingga ketebalan lapisan catu daya memiliki pengaruh besar terhadap parameter S.
Selanjutnya, kami menetapkan ketebalan kemasan menjadi 0,15 mm, dan mengubah ketebalan PCB masing-masing menjadi 0,15 mm, 0,4 mm, 0,8 mm, dan 1,6 mm. Pengaruh ketebalan PCB terhadap parameter S ditunjukkan pada gambar di bawah ini.
Kita dapat melihat bahwa ketebalan lapisan daya PCB tidak terlalu memengaruhi tren secara keseluruhan. Hanya pada bagian frekuensi rendah yang terdapat sedikit perbedaan. Titik nol pertama ketebalan meningkat seiring dengan pergerakan kecil pada frekuensi tinggi, dan pada bagian frekuensi tinggi hanya terdapat sedikit perbedaan.
7. Pengaruh jarak penempatan kapasitor
Kita tahu bahwa semakin dekat kapasitor pemisah dengan sumber gangguan, semakin baik, karena hal itu mengurangi nilai induktansi antara kapasitor dan sumber gangguan. Dengan demikian, kapasitor dapat menyerap lonjakan arus lebih cepat, mengurangi gangguan, dan menjalankan fungsi menstabilkan tegangan. Demikian pula, mengurangi ketebalan lapisan daya dapat mengurangi induktansi parasit pada bidang daya, yang juga dapat memainkan peran yang sama.
Dalam simulasi ini, kami mengubah jarak antara kapasitor pada kemasan dan titik uji, yang masing-masing sebesar 1,7 cm dan 0,2 cm. Ketebalan kemasan dan lapisan daya PCB dibagi menjadi dua kasus. Kemasan pertama berketebalan 0,15 mm dan PCB 0,7 mm. Pada kasus kedua, kemasan 1,6 mm dan PCB 0,7 mm, kapasitor 100 nF, ESR 0,04 ohm, ESL 0,63 nH.
Berdasarkan hasil simulasi, diketahui bahwa kita dapat mengurangi pengaruh gangguan dengan memperkecil ketebalan lapisan daya pada kemasan, apabila kapasitor tidak dapat ditempatkan di dekat sumber gangguan karena kendala struktur kemasan atau masalah pengkabelan.
Kesimpulan
Dalam postingan ini, kami akan membahas bagaimana gangguan pada catu daya terjadi dan cara mengurangi pengaruhnya terhadap PCB.
