O ruído da fonte de alimentação é um tipo de interferência eletromagnética (EMI) proveniente do sistema distribuidor de energia. O espectro de frequência do ruído conduzido é de aproximadamente 10 kHz a 30 MHz, podendo chegar a 150 MHz. Esse ruído pode interferir no funcionamento normal dos dispositivos eletrônicos e causar distorção do sinal. Então, como você pode reduzir o ruído na sua fonte de alimentação? Para responder a essa pergunta e ajudá-lo a entender melhor os princípios de redução de ruído na fonte de alimentação, criamos esta postagem no blog. Vamos começar!
O que é o sistema distribuidor de energia (PDS)?
Um sistema distribuidor de energia (PDS) é um dispositivo que distribui energia para vários dispositivos ou componentes de placas de circuito. Um projeto inadequado do PDS causará ressonância estrutural e deterioração da qualidade da energia. Normalmente, o sistema PDS consiste no sistema de circuitos e no sistema de campo eletromagnético (EMF). O EMF contém a fonte de alimentação e o plano de aterramento. A figura abaixo é um diagrama esquemático de um PDS.
Como mostra a imagem acima, o ruído da fonte de alimentação é geralmente gerado pelo IC. Em seguida, ele passa pela conexão entre o substrato Via e as esferas de solda na embalagem. Finalmente, ele chega ao sistema de alimentação da placa de circuito impresso.
Tipos de ruído na fonte de alimentação
1. Distorção harmônica
A distorção harmônica é um tipo de distorção da forma de onda quando um sinal é amplificado. Polarização inadequada, sobrecarga do amplificador e incompatibilidade de impedância podem causar distorção harmônica. Além disso, ela também pode ocorrer quando um sinal analógico é convertido em sinal digital.
2. Pico de tensão
Picos de tensão, corrente e energia são transientes elétricos rápidos e de curta duração em um circuito elétrico. Esses transientes elétricos podem criar ruído na forma de picos de corrente. Um pico de tensão geralmente tem um valor de pico de 6000 V e uma duração de 1/10.000 de segundo a 1/2 ciclo (10 ms). Os transientes elétricos são causados principalmente por descargas atmosféricas, arcos elétricos, descargas estáticas ou operações de comutação de grandes equipamentos elétricos. Picos de tensão ocorrem frequentemente em siderúrgicas, equipamentos com tiristores, equipamentos com faíscas, locomotivas elétricas, etc. Eles destroem a fonte de alimentação comutada, o filtro de entrada, o retificador e até mesmo o tubo de vibração principal do computador industrial.
3. Ruído de ressalto no solo
O ruído de reflexão no solo (GBN) é um fenômeno que pode ocorrer em circuitos eletrônicos. Quando uma linha de sinal é conectada a um plano de terra com alta impedância. A alta impedância pode fazer com que o sinal "ricocheteie" no plano de terra, causando interferência e ruído.
Projetamos um PDS e criamos três grupos de comparação: um único pacote, um único PCB e todo o sistema PDS. O objetivo é medir a diferença em GBN entre eles. Nesse processo, precisamos usar ferramentas como analisador de rede, estação Microtechprobe e sonda GS.
A partir dos resultados das medições na figura acima, podemos ver que os valores GBN das três estruturas PDS são bastante diferentes.
Em primeiro lugar, no modo de pacote único, o GBN se comporta como um capacitor antes de 1,3 GHz, e o modo de ressonância é gerado após 1,5 GHz;
Em segundo lugar, no caso do modo PCB único, o GBN tem modos de ressonância após 0,5 GHz, como 0,73 GHz (TM01), 0,92 GHz (TM10) e 1,17 GHz (TM11), sendo que o comportamento do GBN é pior do que o do Pkg único.
Por fim, na estrutura mista de pacote e PCB, a frequência GBN tem três pontos de ressonância a mais do que um único pacote antes de 1,5 GHz. Essas ressonâncias de ruído vêm do PCB e são acopladas à fonte de alimentação do pacote por meio de bolas de solda, Via, etc. Isso afetará mais os ICs no pacote, mas de forma diferente da estrutura de pacote único ou PCB.
Como reduzir o ruído na fonte de alimentação?
Existem algumas maneiras de reduzir o ruído na sua fonte de alimentação, incluindo capacitores de desacoplamento e filtragem de ruído na fonte. Aqui, discutiremos principalmente a seção sobre capacitores de desacoplamento.
Otimização de capacitores de desacoplamento
Uma maneira eficaz de suprimir o ruído do plano de alimentação é otimizar os capacitores de desacoplamento. Isso inclui o tamanho do capacitor, a localização do capacitor, o ESR do capacitor, o ESL do capacitor e o número de capacitores.
1. Localização ideal para capacitores de desacoplamento
Para analisar a influência da posição do capacitor de desacoplamento no ruído da fonte de alimentação, adicionamos capacitores de desacoplamento no pacote e na placa de circuito impresso, respectivamente, e medimos o GBN.
Em primeiro lugar, na faixa de 0,5 GHz, ele pode reduzir significativamente a impedância estrutural e diminuir a interferência GBN, independentemente da adição de capacitores de desacoplamento no pacote e na placa de circuito impresso.
Em segundo lugar, na faixa de 0,5 GHz a 2 GHz, adicionamos capacitores de desacoplamento tanto no pacote quanto na placa de circuito impresso. Eles têm o mesmo efeito na supressão de ruído. No entanto, você verá que há um ponto de ressonância adicional próximo a 0,8 GHz, se adicionar capacitores apenas na placa de circuito impresso. Isso é ainda pior do que não adicionar capacitores. Portanto, precisamos adicionar capacitores de desacoplamento tanto no pacote quanto na placa de circuito impresso ao mesmo tempo.
Terceiro, de 2 GHz a 5 GHz, não adianta quase nada reduzir o ruído da fonte de alimentação adicionando capacitores. Isso porque essa faixa de frequência é maior do que a frequência de ressonância do próprio capacitor.
2. Efeito do ESR do capacitor de desacoplamento
Na estrutura mista do pacote e da placa de circuito impresso, coloque 12 capacitores de desacoplamento e altere sua resistência em série equivalente (ESR). Os resultados da simulação são mostrados na figura abaixo. Você verá que a curva de ruído se torna mais plana à medida que o valor da ESR aumenta. Esse resultado nos mostra que aumentar a ESR é benéfico para suprimir o ruído da fonte de alimentação.
3. Capacitor de desacoplamento ESL
Na estrutura mista do pacote e da placa de circuito impresso, coloque 12 capacitores de desacoplamento e altere sua indutância em série equivalente (ESL). Os resultados da simulação são mostrados na figura abaixo. Você verá que a amplitude do ponto de ressonância aumenta à medida que o valor da ESL aumenta. Como resultado, apenas ESL menores dos capacitores de desacoplamento são úteis para reduzir o ruído.
4. Número de capacitores de desacoplamento
Em uma estrutura de pacote único, fazemos 6 testes de tempo e colocamos diferentes números de capacitores a cada vez no pacote.
Resultado da medição:
Entre 0 e 200 MHz, 4 e 8 capacitores de desacoplamento reduzem o ruído da fonte de alimentação. Um novo ponto de ressonância ocorre perto de 400 MHz e o ponto de ressonância subsequente ocorre em uma frequência mais alta.
Além disso, o ruído da fonte de alimentação também é reduzido quando se colocam 12 a 52 capacitores de desacoplamento. O ponto de ressonância próximo a 400 MHz fica menor e o ponto de ressonância de alta frequência ocorre em uma frequência mais alta. Como resultado, o ruído da fonte de alimentação diminuirá à medida que o número de capacitores aumentar.
5. Efeito da capacitância do capacitor de desacoplamento
Na estrutura combinada do pacote e do PCB, coloque capacitores com diferentes valores de capacitância. Os resultados da simulação são os seguintes:
Compare a adição de 100 nF e 100 pF:
- Entre 0 e 300 MHz, o capacitor grande de 100 n tem melhor efeito de supressão;
- Entre 500 e 800 MHz, um capacitor pequeno de 100 pF tem melhor efeito;
- Adicionar um capacitor de 100n entrará em ressonância com toda a estrutura do sistema a 400Mz;
- Ao usar 100n+100p, 200~600Mhz, é pior do que simplesmente usar 100n e 100p, e frequências mais baixas ou mais altas não são melhores do que um único valor de capacitância;
- Quando três valores de capacitância de 100n+1n+100p são usados, mais pontos de ressonância são gerados.
É necessário ter um cuidado especial em sistemas eletrônicos, pois se o ruído gerado pelo circuito estiver exatamente na frequência de ressonância, o ruído será amplificado e afetará ou se propagará para o sinal. Portanto, a seleção do valor da capacitância deve ser determinada de acordo com a banda de frequência a ser suprimida. Após a determinação da banda de frequência, o capacitor deve ser selecionado de acordo com o ponto de ressonância do capacitor. Quanto menores forem o ESL e o ESR do capacitor, melhor.
6. Efeito da espessura do PCB
Primeiro, a distância entre a fonte de alimentação fixa da placa de circuito impresso e o plano de aterramento é de 0,7 mm, e a espessura da camada de alimentação da embalagem é alterada para 1,6 mm, 0,8 mm, 0,4 mm e 0,15 mm, e os resultados são mostrados na figura.
Quando a espessura da camada de alimentação do pacote fica cada vez maior, o primeiro ponto zero se move para a baixa frequência. A partir da conclusão anterior, o ruído antes de 2 GHz vem do PCB e, a partir dos resultados, o ruído acoplado do PCB também se torna maior.
Após 2 GHz, ele é afetado principalmente pelo pacote. Pode-se observar que o ruído também aumenta com a espessura, portanto, a espessura do plano de alimentação de reconhecimento tem uma grande influência nos parâmetros S.
Em seguida, fixamos a espessura da embalagem em 0,15 mm e alteramos a espessura da placa de circuito impresso para 0,15 mm, 0,4 mm, 0,8 mm e 1,6 mm, respectivamente. O efeito da espessura da placa de circuito impresso no parâmetro S é mostrado na figura abaixo.
Podemos observar que a espessura da camada de alimentação da placa de circuito impresso tem pouco efeito sobre a tendência geral. Apenas a parte de baixa frequência apresenta pouca diferença. O primeiro ponto zero da espessura aumenta com um pequeno movimento de alta frequência, e a parte de alta frequência apresenta apenas uma ligeira diferença.
7. O efeito da distância de colocação do capacitor
Sabemos que quanto mais próximo o capacitor de desacoplamento estiver da fonte de ruído, melhor, pois isso reduz o valor da indutância do capacitor para a fonte de ruído. Dessa forma, o capacitor absorve o pico mais rapidamente, reduz o ruído e estabiliza a tensão. Da mesma forma, reduzir a espessura da camada de alimentação pode reduzir a indutância parasítica do plano de alimentação, o que também pode desempenhar a mesma função.
Na simulação, alteramos a distância entre o capacitor na embalagem e o ponto de teste, que são 1,7 cm e 0,2 cm, respectivamente. A espessura da embalagem e da camada de alimentação da PCB é dividida em dois casos. A primeira embalagem tem 0,15 mm e a PCB tem 0,7 mm. No segundo caso, a embalagem tem 1,6 mm e a PCB tem 0,7 mm, o capacitor tem 100 nF, o ESR tem 0,04 ohm e o ESL tem 0,63 nH.
Os resultados da simulação mostram que podemos reduzir a influência do ruído diminuindo a espessura da camada de alimentação do pacote, quando o capacitor não pode ser colocado perto da fonte de ruído devido a problemas de estrutura ou fiação do pacote.
Conclusão
Nesta publicação, apresentamos como ocorre o ruído da fonte de alimentação e como reduzir sua influência na placa de circuito impresso (PCB).
