Stromversorgungsrauschen ist eine Art elektromagnetischer Störung (EMI) aus dem Stromverteilungssystem. Das Frequenzspektrum seines leitungsgebundenen Rauschens liegt bei etwa 10 kHz bis 30 MHz, bis zu 150 MHz. Dieses Rauschen kann den normalen Betrieb elektronischer Geräte stören und zu Signalverzerrungen führen. Wie können Sie also Störungen in Ihrer Stromversorgung reduzieren? Um diese Frage zu beantworten und Ihnen zu helfen, die Prinzipien der Störungsreduzierung in der Stromversorgung besser zu verstehen, haben wir diesen Blogbeitrag verfasst. Lassen Sie uns beginnen!
Was ist ein Stromverteilungssystem (PDS)?
Ein Stromverteilungssystem (PDS) ist ein Gerät, das Strom an mehrere Geräte oder Leiterplattenkomponenten verteilt. Ein schlechtes PDS-Design führt zu struktureller Resonanz und einer Verschlechterung der Stromqualität. In der Regel besteht das PDS-System sowohl aus dem Schaltungssystem als auch aus dem elektromagnetischen Feldsystem (EMF). Das EMF umfasst die Stromversorgung und die Grundplatte. Die folgende Abbildung zeigt ein schematisches Diagramm eines PDS.
Wie das Bild oben zeigt, wird das Netzteilrauschen in der Regel vom IC erzeugt. Anschließend gelangt es über die Verbindung zwischen dem Substrat-Via und den Lötkugeln auf dem Gehäuse zum Netzteil der Leiterplatte.
Arten von Störgeräuschen in der Stromversorgung
1. Harmonische Verzerrung
Harmonische Verzerrung ist eine Art von Wellenformverzerrung, die bei der Verstärkung eines Signals auftritt. Eine falsche Vorspannung, eine Überlastung des Verstärkers und eine Impedanzfehlanpassung können harmonische Verzerrungen verursachen. Darüber hinaus kann sie auch auftreten, wenn ein analoges Signal in ein digitales Signal umgewandelt wird.
2. Spannungsspitze
Spannungs-, Strom- und Energiespitzen sind schnelle, kurzlebige elektrische Transienten in einem Stromkreis. Diese elektrischen Transienten können Störungen in Form von Stromspitzen verursachen. Eine Spannungsspitze hat in der Regel einen Spitzenwert von 6000 V und eine Dauer von 1/10.000stel Sekunde bis zu einem halben Zyklus (10 ms). Die elektrischen Transienten sind hauptsächlich auf Blitzeinschläge, Lichtbögen, statische Entladungen oder Schaltvorgänge großer elektrischer Geräte zurückzuführen. Spannungsspitzen treten häufig in Stahlwerken, Thyristorgeräten, Funkenstrecken, Elektrolokomotiven usw. auf. Sie zerstören das Schaltnetzteil, den Eingangsfilter, den Gleichrichter und sogar die Hauptschwingungsröhre des Industriecomputers.
3. Bodenreflexionsrauschen
Ground Bounce Noise (GBN) ist ein Phänomen, das in elektronischen Schaltungen auftreten kann. Wenn eine Signalleitung mit einer hohen Impedanz an eine Massefläche angeschlossen wird, kann die hohe Impedanz dazu führen, dass das Signal von der Massefläche „abprallt“ und Störungen und Rauschen verursacht.
Wir haben ein PDS entworfen und drei Vergleichsgruppen gebildet: ein einzelnes Gehäuse, eine einzelne Leiterplatte und das gesamte PDS-System. Der Zweck besteht darin, den Unterschied im GBN zwischen ihnen zu messen. In diesem Prozess müssen wir die folgenden Werkzeuge verwenden: Netzwerkanalysator, Microtechprobe-Station und GS-Sonde.
Aus den Messergebnissen in der obigen Abbildung geht hervor, dass die GBN-Werte der drei PDS-Strukturen sehr unterschiedlich sind.
Erstens verhält sich GBN im Einzelpaketmodus vor 1,3 GHz wie ein Kondensator, und der Resonanzmodus wird nach 1,5 GHz erzeugt.
Zweitens weist GBN im Single-PCB-Modus Resonanzmodi nach 0,5 GHz auf, beispielsweise 0,73 GHz (TM01), 0,92 GHz (TM10) und 1,17 GHz (TM11), wobei das GBN-Verhalten schlechter ist als das von Single-Pkg.
Schließlich weist die GBN-Frequenz in der gemischten Struktur aus Gehäuse und Leiterplatte drei Resonanzpunkte mehr auf als ein einzelnes Gehäuse vor 1,5 GHz. Diese Rauschresonanzen stammen von der Leiterplatte und werden über Lötkugeln, Durchkontaktierungen usw. an die Stromversorgung des Gehäuses gekoppelt. Dies wirkt sich stärker auf die ICs im Gehäuse aus, unterscheidet sich jedoch von der Struktur eines einzelnen Gehäuses oder einer einzelnen Leiterplatte.
Wie lässt sich das Rauschen im Netzteil reduzieren?
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um Störgeräusche in Ihrem Netzteil zu reduzieren, darunter Entkopplungskondensatoren, die Störgeräusche an der Quelle filtern. Hier werden wir uns hauptsächlich mit dem Abschnitt über Entkopplungskondensatoren befassen.
Optimierung von Entkopplungskondensatoren
Eine wirksame Methode zur Unterdrückung von Störgeräuschen auf der Stromversorgungsebene ist die Optimierung der Entkopplungskondensatoren. Dazu gehören die Größe der Kondensatoren, ihre Position, ihr ESR-Wert, ihr ESL-Wert und ihre Anzahl.
1. Idealer Ort für Entkopplungskondensatoren
Um den Einfluss der Position des Entkopplungskondensators auf das Netzteilrauschen zu analysieren, fügen wir Entkopplungskondensatoren jeweils auf dem Gehäuse und der Leiterplatte hinzu und messen dann den GBN.
Erstens kann es im 0,5-GHz-Bereich die strukturelle Impedanz erheblich reduzieren und GBN-Interferenzen verringern, unabhängig davon, ob Entkopplungskondensatoren auf dem Gehäuse und der Leiterplatte hinzugefügt werden oder nicht.
Zweitens fügen wir im Bereich von 0,5 GHz bis 2 GHz Entkopplungskondensatoren sowohl auf dem Gehäuse als auch auf der Leiterplatte hinzu. Diese haben denselben Effekt auf die Rauschunterdrückung. Wenn Sie jedoch nur Kondensatoren auf der Leiterplatte hinzufügen, werden Sie feststellen, dass es einen zusätzlichen Resonanzpunkt nahe 0,8 GHz gibt. Das ist sogar noch schlechter, als wenn Sie keine Kondensatoren hinzufügen. Daher müssen wir gleichzeitig Entkopplungskondensatoren sowohl auf dem Gehäuse als auch auf der Leiterplatte hinzufügen.
Drittens ist es im Bereich von 2 GHz bis 5 GHz nahezu wirkungslos, das Netzteilrauschen durch Hinzufügen von Kondensatoren zu reduzieren. Denn dieser Frequenzbereich ist größer als die Resonanzfrequenz des Kondensators selbst.
2. Auswirkung des ESR-Werts des Entkopplungskondensators
Platzieren Sie auf der gemischten Struktur des Gehäuses und der Leiterplatte 12 Entkopplungskondensatoren und ändern Sie deren äquivalenten Serienwiderstand (ESR). Die Simulationsergebnisse sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Sie werden feststellen, dass die Rauschkurve mit steigendem ESR-Wert flacher wird. Dieses Ergebnis zeigt uns, dass eine Erhöhung des ESR vorteilhaft für die Unterdrückung von Stromversorgungsrauschen ist.
3. Entkopplungskondensator ESL
Platzieren Sie auf der gemischten Struktur des Gehäuses und der Leiterplatte 12 Entkopplungskondensatoren und ändern Sie deren äquivalente Serieninduktivität (ESL). Die Simulationsergebnisse sind in der folgenden Abbildung dargestellt. Sie werden feststellen, dass die Amplitude des Resonanzpunkts mit steigendem ESL-Wert größer wird. Daher ist nur eine geringere ESL der Entkopplungskondensatoren hilfreich, um das Rauschen zu reduzieren.
4. Anzahl der Entkopplungskondensatoren
In einer einzelnen Gehäusestruktur führen wir 6 Zeitprüfungen durch und platzieren jedes Mal eine unterschiedliche Anzahl von Kondensatoren auf dem Gehäuse.
Messergebnis:
Zwischen 0 und 200 MHz reduzieren 4 und 8 Entkopplungskondensatoren das Rauschen des Netzteils. Ein neuer Resonanzpunkt tritt bei etwa 400 MHz auf, der nachfolgende Resonanzpunkt bei einer höheren Frequenz.
Darüber hinaus wird das Rauschen des Netzteils auch durch den Einsatz von 12 bis 52 Entkopplungskondensatoren reduziert. Der Resonanzpunkt bei 400 MHz wird kleiner und der Hochfrequenz-Resonanzpunkt tritt bei einer höheren Frequenz auf. Infolgedessen nimmt das Rauschen des Netzteils mit steigender Anzahl von Kondensatoren ab.
5. Auswirkung der Kapazität des Entkopplungskondensators
Auf der kombinierten Struktur aus Gehäuse und Leiterplatte werden Kondensatoren mit unterschiedlichen Kapazitätswerten platziert. Die Simulationsergebnisse lauten wie folgt:
Vergleich zwischen 100 nF und 100 pF:
- Zwischen 0 und 300 MHz hat ein großer Kondensator mit 100 nF eine bessere Dämpfungswirkung.
- Bei 500 bis 800 MHz hat ein kleiner Kondensator mit 100 pF eine bessere Wirkung.
- Das Hinzufügen eines 100-n-Kondensators führt bei 400 MHz zu einer Resonanz mit der gesamten Systemstruktur.
- Bei Verwendung von 100 n + 100 p ist die Wirkung zwischen 200 und 600 MHz schlechter als bei einfacher Verwendung von 100 n und 100 p, und niedrigere oder höhere Frequenzen sind nicht besser als ein einzelner Kapazitätswert.
- Bei Verwendung von drei Kapazitätswerten von 100 n + 1 n + 100 p werden mehr Resonanzpunkte erzeugt.
Bei elektronischen Systemen ist besondere Vorsicht geboten. Wenn das vom Schaltkreis erzeugte Rauschen genau auf der Resonanzfrequenz liegt, wird das Rauschen verstärkt und beeinflusst oder strahlt auf das Signal aus. Daher sollte die Auswahl des Kapazitätswerts entsprechend dem zu unterdrückenden Frequenzband festgelegt werden. Nachdem das Frequenzband festgelegt wurde, sollte der Kondensator entsprechend dem Resonanzpunkt des Kondensators ausgewählt werden. Je niedriger der ESL- und ESR-Wert des Kondensators, desto besser.
6. Einfluss der PCB-Dicke
Zunächst beträgt der Abstand zwischen der festen PCB-Stromversorgung und der Grundplatte 0,7 mm, und die Dicke der Stromversorgungsschicht des Gehäuses wird auf 1,6 mm, 0,8 mm, 0,4 mm und 0,15 mm geändert. Die Ergebnisse sind in der Abbildung dargestellt.
Wenn die Dicke der Stromversorgungsschicht des Gehäuses immer größer wird, verschiebt sich der erste Nullpunkt in Richtung niedriger Frequenzen. Aus der vorherigen Schlussfolgerung geht hervor, dass das Rauschen vor 2 GHz von der Leiterplatte stammt, und aus den Ergebnissen geht hervor, dass das von der Leiterplatte gekoppelte Rauschen ebenfalls größer wird.
Nach 2 GHz wird es hauptsächlich vom Gehäuse beeinflusst. Es ist ersichtlich, dass das Rauschen mit der Dicke zunimmt, sodass die Dicke der Bestätigungsstromversorgungsebene einen großen Einfluss auf die S-Parameter hat.
Als Nächstes haben wir die Dicke des Gehäuses auf 0,15 mm festgelegt und die Dicke der Leiterplatte auf 0,15 mm, 0,4 mm, 0,8 mm bzw. 1,6 mm geändert. Die Auswirkung der Leiterplattendicke auf den S-Parameter ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Wir können sehen, dass die Dicke der PCB-Stromschicht nur einen geringen Einfluss auf den Gesamttrend hat. Nur im Niederfrequenzbereich gibt es einen kleinen Unterschied. Der erste Nullpunkt der Dicke steigt mit einer geringen Hochfrequenzbewegung an, und im Hochfrequenzbereich gibt es nur einen geringen Unterschied.
7. Der Einfluss des Abstands zwischen den Kondensatoren
Wir wissen, dass es umso besser ist, je näher der Entkopplungskondensator an der Rauschquelle liegt, da dadurch der Induktivitätswert vom Kondensator zur Rauschquelle reduziert wird. Auf diese Weise absorbiert der Kondensator den Stromstoß schneller, reduziert das Rauschen und stabilisiert die Spannung. Ebenso kann durch eine Verringerung der Dicke der Stromversorgungsschicht die parasitäre Induktivität der Stromversorgungsebene reduziert werden, was ebenfalls denselben Effekt hat.
In der Simulation ändern wir den Abstand zwischen dem Kondensator auf dem Gehäuse und dem Testpunkt, die jeweils 1,7 cm und 0,2 cm betragen. Die Dicke des Gehäuses und der Stromversorgungsschicht der Leiterplatte wird in zwei Fälle unterteilt. Das erste Gehäuse ist 0,15 mm dick und die Leiterplatte 0,7 mm. Im zweiten Fall sind das Gehäuse 1,6 mm und die Leiterplatte 0,7 mm dick, der Kondensator 100 nF, ESR 0,04 Ohm und ESL 0,63 nH.
Aus den Simulationsergebnissen geht hervor, dass wir den Einfluss von Rauschen reduzieren können, indem wir die Dicke der Power-Schicht des Gehäuses verringern, wenn der Kondensator aufgrund von Gehäusestruktur- oder Verdrahtungsproblemen nicht in der Nähe der Rauschquelle platziert werden kann.
Fazit
In diesem Beitrag stellen wir vor, wie Stromversorgungsrauschen entsteht und wie sich dessen Einfluss auf Leiterplatten reduzieren lässt.
