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
La distorsion harmonique est un type de déformation de la forme d’onde qui apparaît lorsqu’un signal est amplifié. Une polarisation incorrecte, une surcharge de l’amplificateur et une désadaptation d’impédance peuvent toutes provoquer une distorsion harmonique. Elle peut également se produire lorsqu’un signal analogique est converti en signal numérique.
2. Voltage Spike
Les pics de tension, de courant et d’énergie sont des transitoires électriques rapides et de courte durée dans un circuit électrique. Ces transitoires électriques peuvent créer du bruit sous forme de pics de courant. Un pic de tension présente généralement une valeur de crête de 6000V et une durée allant de 1/10,000 de seconde à 1/2 cycle (10 ms). Les transitoires électriques sont principalement dus à la foudre, aux arcs électriques, aux décharges électrostatiques ou aux opérations de commutation de gros équipements électriques. Les pics de tension se produisent souvent dans les aciéries, les équipements à thyristors, les équipements à étincelles, les locomotives électriques, etc. Ils détruisent l’alimentation à découpage, le filtre d’entrée, le redresseur et même le tube oscillateur principal de l’ordinateur industriel.
3. Ground Bounce Noise
Le bruit de rebond de masse (GBN) est un phénomène qui peut se produire dans les circuits électroniques lorsqu’une ligne de signal est connectée à un plan de masse présentant une impédance élevée. Cette impédance élevée peut faire « rebondir » le signal sur le plan de masse, provoquant des interférences et du bruit.
Nous avons conçu un PDS et constitué 3 groupes de comparaison : un boîtier seul, un PCB seul et le système PDS complet. Le but est de mesurer la différence de GBN entre eux. Pour ce processus, les outils nécessaires comprennent un analyseur de réseau, une station de sondes Microtech et une sonde GS.
Les résultats de mesure présentés dans la figure ci-dessus montrent donc que les valeurs de GBN des trois structures PDS sont nettement différentes.
Premièrement, en mode boîtier seul, le GBN se comporte comme un condensateur jusqu’à 1,3 GHz et le mode de résonance apparaît après 1,5 GHz ;
Deuxièmement, en mode PCB seul, le GBN présente des modes de résonance à partir de 0,5 GHz, par exemple à 0,73 GHz (TM01), 0,92 GHz (TM10) et 1,17 GHz (TM11). Le comportement du GBN est moins bon que celui d’un boîtier seul.
Enfin, la structure mixte du boîtier et du PCB présente trois points de résonance supplémentaires avant 1,5 GHz par rapport à un boîtier seul. Ces résonances de bruit proviennent du PCB et sont couplées à l’alimentation du boîtier par les plots soudés, les vias, etc. Elles affectent davantage les circuits intégrés dans le boîtier, mais différemment d’un boîtier seul ou d’une structure de PCB.
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.
Réduire le bruit d'une alimentation à découpage sur PCB
La réduction du bruit exige de distinguer ondulation, oscillation, rebond de masse et courant de mode commun. Mesurez à la charge avec un retour de sonde très court, puis repérez boucle d’entrée à fort di/dt, nœud commuté, redressement et retour. Ajouter de la capacité n’est pas toujours bénéfique : ESR, ESL, placement et interaction avec la régulation peuvent créer une nouvelle résonance.
- Connexion de sonde: Employer un ressort de masse ou une liaison coaxiale ; un fil long peut fabriquer une oscillation.
- Boucle commutée: Placer le condensateur céramique d’entrée directement sur la boucle et réduire sa surface.
- Filtre de sortie: Fixer la coupure LC sous le spectre gênant et amortir tout pic d’impédance.
- Réglage du snubber: Déduire RC de la fréquence et de l’impédance mesurées, jamais d’un autre montage.
- Mesure sous tension: Utiliser sondes différentielles et isolation adaptée aux rails dangereux sans supprimer la terre.
Conclusion
Dans cet article, nous présentons comment le bruit de l’alimentation se produit et comment réduire son influence sur le PCB.
