Шум источника питания — это вид электромагнитных помех (EMI) от системы распределения электроэнергии. Частотный спектр проводимого шума составляет около 10 кГц~30 МГц, до 150 МГц. Этот шум может мешать нормальной работе электронных устройств и вызывать искажение сигнала. Итак, как можно уменьшить шумы в источнике питания? Чтобы ответить на этот вопрос и помочь вам лучше понять принципы уменьшения шумов в источнике питания, мы подготовили эту статью в блоге. Приступим!
Что такое система распределения электроэнергии (PDS)
Система распределения питания (PDS) — это устройство, которое распределяет питание между несколькими устройствами или компонентами печатной платы. Некачественная конструкция PDS приводит к структурному резонансу и ухудшению качества питания. Обычно система PDS состоит из системы цепей и системы электромагнитного поля (EMF). EMF содержит источник питания и заземляющую плоскость. На рисунке ниже представлена схема PDS.
Как показано на рисунке выше, шум в источнике питания обычно генерируется микросхемой. Затем он проходит через соединение между подложкой Via и паяльными шариками на корпусе. Наконец, он достигает системы питания печатной платы.
Типы шумов в источниках питания
1. Гармонические искажения
Гармонические искажения — это тип искажения формы сигнала при его усилении. Неправильное смещение, перегрузка усилителя и несоответствие импеданса могут вызвать гармонические искажения. Кроме того, они могут возникать при преобразовании аналогового сигнала в цифровой.
2. Всплеск напряжения
Всплески напряжения, тока и энергии — это быстрые, кратковременные электрические переходные процессы в электрической цепи. Эти электрические переходные процессы могут создавать помехи в виде всплесков тока. Всплеск напряжения обычно имеет пиковое значение 6000 В и длится от 1/10 000 секунды до 1/2 цикла (10 мс). Электрические переходные процессы в основном вызваны ударами молнии, дуговым разрядом, статическим разрядом или операциями переключения крупного электрооборудования. Всплески напряжения часто возникают на сталелитейных заводах, в тиристорном оборудовании, искровом оборудовании, электровозах и т. д. Они могут вывести из строя импульсный источник питания, входной фильтр, выпрямитель и даже главную вибрационную трубку промышленного компьютера.
3. Шумы от отскока от земли
Шум от отскока от земли (GBN) — это явление, которое может возникать в электронных схемах. Когда сигнальная линия подключена к плоскости заземления с высоким импедансом. Высокий импеданс может привести к «отскоку» сигнала от плоскости заземления, вызывая помехи и шум.
Мы разработали PDS и создали 3 группы для сравнения: отдельный пакет, отдельная печатная плата и вся система PDS. Цель состоит в том, чтобы измерить разницу в GBN между ними. В этом процессе нам необходимо использовать такие инструменты, как сетевой анализатор, станция Microtechprobe и зонд GS.
Из результатов измерений на рисунке выше видно, что значения GBN трех структур PDS значительно различаются.
Во-первых, в режиме одиночного пакета GBN ведет себя как конденсатор до 1,3 ГГц, а режим резонанса генерируется после 1,5 ГГц;
Во-вторых, в случае режима single PCB GBN имеет режимы резонанса после 0,5 ГГц, например 0,73 ГГц (TM01), 0,92 ГГц (TM10), 1,17 ГГц (TM11), поведение GBN хуже, чем у single Pkg.
Наконец, в смешанной структуре корпуса и печатной платы частота GBN имеет на три резонансных точки больше, чем у одиночного корпуса до 1,5 ГГц. Эти шумовые резонансы происходят от печатной платы и соединяются с источником питания корпуса через шарики припоя, переходные отверстия и т. д. Это будет больше влиять на микросхемы в корпусе, но отличаться от одиночного корпуса или структуры печатной платы.
Как уменьшить шум в источнике питания?
Существует несколько способов уменьшить шум в источнике питания, в том числе с помощью развязывающих конденсаторов, которые фильтруют шум у источника. Здесь мы в основном обсудим развязывающие конденсаторы.
Оптимизация развязывающих конденсаторов
Эффективным способом подавления шума на плоскости питания является оптимизация развязывающих конденсаторов. Она включает в себя размер конденсатора, расположение конденсатора, ESR конденсатора, ESL конденсатора и количество конденсаторов.
1. Идеальное место для развязывающих конденсаторов
Чтобы проанализировать влияние положения развязывающего конденсатора на шумы источника питания, мы добавляем развязывающие конденсаторы соответственно на корпус и печатную плату, а затем измеряем GBN.
Во-первых, в диапазоне 0,5 ГГц он может значительно снизить структурный импеданс и уменьшить помехи GBN, независимо от того, добавлены ли развязывающие конденсаторы на корпусе и печатной плате.
Во-вторых, в диапазоне 0,5 ГГц ~ 2 ГГц мы добавляем развязывающие конденсаторы как на корпус, так и на печатную плату. Они обеспечивают одинаковый эффект подавления шума. Однако вы обнаружите, что при добавлении конденсаторов только на печатную плату появляется дополнительная точка резонанса около 0,8 ГГц. Это даже хуже, чем отсутствие конденсаторов. Поэтому необходимо одновременно добавлять развязывающие конденсаторы как на корпус, так и на печатную плату.
В-третьих, в диапазоне от 2 ГГц до 5 ГГц добавление конденсаторов практически не помогает снизить уровень шума в источнике питания. Это связано с тем, что данный диапазон частот превышает резонансную частоту самого конденсатора.
2. Влияние ESR развязывающего конденсатора
На смешанной структуре корпуса и печатной платы разместите 12 развязывающих конденсаторов и измените их эквивалентное последовательное сопротивление (ESR). Результаты моделирования показаны на рисунке ниже. Вы увидите, что кривая шума становится более плоской по мере увеличения значения ESR. Этот результат показывает, что увеличение ESR способствует подавлению шума источника питания.
3. Развязывающий конденсатор ESL
На смешанной структуре корпуса и печатной платы разместите 12 развязывающих конденсаторов и измените их эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). Результаты моделирования показаны на рисунке ниже. Вы увидите, что амплитуда резонансной точки увеличивается с ростом значения ESL. В результате, только меньшее значение ESL развязывающих конденсаторов помогает снизить уровень шума.
4. Количество развязывающих конденсаторов
В одной структуре корпуса мы проводим 6-кратное испытание и каждый раз размещаем на корпусе разное количество конденсаторов.
Результат измерения:
В диапазоне от 0 до 200 МГц 4 и 8 развязывающих конденсаторов снижают уровень шума источника питания. Новая точка резонанса возникает вблизи 400 МГц, а последующая точка резонанса возникает на более высокой частоте.
Кроме того, шум источника питания также снижается при установке от 12 до 52 развязывающих конденсаторов. Точка резонанса около 400 МГц становится меньше, а высокочастотная точка резонанса возникает на более высокой частоте. В результате шум источника питания будет уменьшаться по мере увеличения количества конденсаторов.
5. Влияние емкости развязывающего конденсатора
На комбинированной конструкции корпуса и печатной платы разместите конденсаторы с разными значениями емкости. Результаты моделирования следующие:
Сравните добавление 100 нФ и 100 пФ:
- В диапазоне от 0 до 300 МГц большой конденсатор 100 нФ обеспечивает лучший эффект подавления;
- в диапазоне 500–800 МГц лучший эффект дает небольшой конденсатор 100 пФ;
- Добавление конденсатора 100 нФ приведет к резонансу со всей структурой системы на частоте 400 МГц;
- При использовании 100 нФ + 100 пФ в диапазоне 200–600 МГц результат хуже, чем при использовании только 100 нФ и 100 пФ, а более низкая или более высокая частота не дает лучшего результата, чем использование одного значения емкости;
- При использовании трех значений емкости 100 нм + 1 нм + 100 пм генерируется больше резонансных точек.
В электронных системах необходимо проявлять особую осторожность: если шум, генерируемый цепью, находится именно на резонансной частоте, он усиливается и влияет на сигнал или излучается в него. Поэтому выбор значения емкости должен определяться в соответствии с частотным диапазоном, который необходимо подавить. После определения частотного диапазона конденсатор следует выбирать в соответствии с точкой резонанса конденсатора. Чем ниже ESL и ESR конденсатора, тем лучше.
6. Влияние толщины ПХД
Во-первых, расстояние между фиксированным источником питания печатной платы и заземляющей плоскостью составляет 0,7 мм, а толщина слоя источника питания корпуса изменена на 1,6 мм, 0,8 мм, 0,4 мм и 0,15 мм, и результаты показаны на рисунке.
Когда толщина слоя питания корпуса становится все выше и выше, первая нулевая точка смещается к низкой частоте. Из предыдущего вывода следует, что шум до 2 ГГц исходит от печатной платы, и, судя по результатам, шум, сопряженный с печатной платой, также становится больше.
После 2 ГГц на него в основном влияет корпус. Можно видеть, что шум также увеличивается с толщиной, поэтому толщина плоскости питания подтверждения оказывает большое влияние на S-параметры.
Затем мы зафиксировали толщину корпуса на уровне 0,15 мм и изменили толщину печатной платы на 0,15 мм, 0,4 мм, 0,8 мм и 1,6 мм соответственно. Влияние толщины печатной платы на параметр S показано на рисунке ниже.
Мы видим, что толщина слоя питания печатной платы практически не влияет на общую тенденцию. Разница наблюдается только в низкочастотной части. Первая нулевая точка толщины увеличивается с небольшим высокочастотным движением, а в высокочастотной части разница незначительна.
7. Влияние расстояния между конденсаторами
Мы знаем, что чем ближе развязывающий конденсатор находится к источнику шума, тем лучше, потому что это снижает значение индуктивности от конденсатора к источнику шума. Таким образом, конденсатор быстрее поглощает скачок напряжения, снижает шум и стабилизирует напряжение. Аналогичным образом, уменьшение толщины слоя питания может снизить паразитную индуктивность плоскости питания, что также может сыграть ту же роль.
В моделировании мы изменяем расстояние между конденсатором на корпусе и тестовой точкой, которые составляют 1,7 см и 0,2 см соответственно. Толщина корпуса и слоя питания печатной платы делится на два случая. Первый корпус имеет толщину 0,15 мм, а печатная плата — 0,7 мм. Во втором случае корпус имеет толщину 1,6 мм, печатная плата — 0,7 мм, конденсатор — 100 нФ, ESR — 0,04 Ом, ESL — 0,63 нГн.
Из результатов моделирования известно, что мы можем уменьшить влияние шума, уменьшив толщину слоя питания корпуса, когда конденсатор не может быть размещен рядом с источником шума из-за проблем со структурой корпуса или проводкой.
Заключение
В этой статье мы расскажем о том, как возникают помехи в источнике питания и как уменьшить их влияние на печатную плату.
