Wie man laute Stromschienen filtert

Obwohl eine Stromversorgung auf einem Oszilloskop so aussehen mag, als würde sie saubere Energie liefern, kann der Betrieb einer Stromversorgung in einem echten System Rauschen erzeugen oder anfällig für Rauschen sein. Stromschienen müssen oft mehreren Geräten in einem System bei derselben Spannung Strom liefern, aber mit sauberer Energie in verschiedenen Teilen des Systems. Wenn das der Fall ist, muss das Rauschen auf der Hauptleitung möglicherweise bereinigt werden, bevor es verschiedenen Teilen Ihres Systems zur Verfügung gestellt wird.

Je nachdem, in welchem Frequenzbereich die Komponenten arbeiten, kann dies mit einfachen Filterkreisen, zusätzlicher Kapazität und in gezielten Fällen mit einer Ferritperle erfolgen. In diesem Blog werde ich also einige Fälle skizzieren, in denen verschiedene Arten von Filterkreisen an einer Stromschiene verwendet werden können, um die in ein Zielgerät einfließende Energie zu filtern. Manchmal ist es am besten, eine Schiene in verschiedene Schienen mit mehreren Reglern zu unterteilen, während in anderen Fällen eine einzelne Schiene abgegriffen und gefiltert werden kann, um verschiedenen Geräten saubere Energie zu liefern.

Wo Filterung für saubere Energie angewendet wird

Wir können visualisieren, wo Filterung angewendet werden muss, um sicherzustellen, dass saubere Energie verschiedene Geräte erreicht, indem wir uns einen Energiebaum ansehen. Das Bild unten zeigt ein Beispiel eines Energiebaums als Blockdiagramm mit Filterung, die in verschiedenen Abschnitten des Energiebaums angewendet wird. Dieses Bild geht davon aus, dass die Schiene eine Gleichspannung liefert und mehrere Geräte von jeder Schiene abgezweigt werden.

Der wichtige Kontext hier ist eine Frage der Frequenz. Verschiedene Geräte, die Energie über verschiedene Frequenzbereiche benötigen, können mit verschiedenen Arten von Filterung arbeiten. Beispielsweise wäre eine Tiefpassfilterung mit niedriger Grenzfrequenz für ein Gerät geeignet, das nur im Gleichstrombereich arbeitet. Im Gegensatz dazu benötigt ein digitales Gerät mit sehr schnellen I/Os eine Stromschiene mit niedriger Impedanz bis zu sehr hohen Frequenzen, obwohl es Energie von einer Gleichstromschiene bezieht. Die Stabilität der Energie in verschiedenen Frequenzbereichen wird diktieren, welche Art von Filterung geeignet ist.

Die Tabelle unten skizziert einige Beispiele, bei denen verschiedene Arten von Filterung verwendet werden können.

Lassen Sie uns nun einige Beispiele in verschiedenen Frequenzbereichen betrachten.

Gleichstromkomponenten

Wenn eine Komponente nur Gleichstrom benötigt, was bedeutet, dass keine Schaltaktion oder kein Wechselstrom auf die Stromschiene gezogen wird, dann ist eine Tiefpassfilterung angebracht, einschließlich bis zu Tiefpassfiltern höherer Ordnung. Dies könnte mit einer der folgenden Komponenten oder Schaltungen angewendet werden:

• Tiefpass LC-Filter
• Tiefpass RC-Filter
• Ferritperle
• Große Kondensatoren
• Aktiver Gleichstromfilter mit einem Operationsverstärker

Diese Komponenten oder Schaltungen bieten eine niedrige oder moderate Impedanz bei oder nahe DC, während sie eine hohe Impedanz bei höheren Frequenzen bieten. Mit einer Ferritperle, einem Tiefpass-RC-Filter, Kondensatoren oder einem aktiven Gleichstromfilter wird die Antwort erster Ordnung sein, ohne Pol in der Übertragungsfunktion. In einem LC-Filter muss die Schaltung genügend Dämpfung haben, so dass jeder Pol in der Übertragungsfunktion nicht einer untergedämpften transienten entspricht.

Niedrige Frequenzen über DC

Bei diesen Frequenzen wird typischerweise Strom für einige spezielle analoge Sensoren bereitgestellt, was bedeutet, dass die Platine höchstwahrscheinlich ein gemischtes Signal-System ist. In diesen Bereichen ist die beste Option typischerweise ein LC- oder RC-Filter, obwohl auch ein aktiver Filter verwendet werden könnte.

Strom bei diesen Frequenzen muss bis zu einer bestimmten Bandkante geliefert werden. Hier sollten Sie den Abschnitt für einen Tiefpassfilter setzen. Für einen RC-Filter ist dies sehr einfach und basiert auf der Zeitkonstante. Für einen LC-Filter müssen Sie dennoch sicherstellen, dass die Übertragungsfunktion keinen Pol hat, der einer untergedämpften Schwingung entsprechen würde.

Hohe Frequenzen und digitale ICs

Hier müssen Best Practices für die Stromintegrität angewendet werden. Das PDN muss eine niedrige Impedanz bis zu ziemlich hohen Frequenzen im Megahertzbereich haben. Die typische Richtlinie, Bulk-, Entkopplungs- und Bypass-Kondensatoren zu platzieren, ist eine einfache Möglichkeit, diese Anforderung bei digitalen Asics mit nur einer IO-Versorgung zu erfüllen.

In digitalen Prozessoren kann es mehrere I/O-Versorgungen auf unterschiedlichen Spannungsebenen geben, die Strom für Geräte mit schnellen Flankenraten liefern müssen. Deshalb benötigen große Prozessoren oft eine große Anzahl von Kondensatoren, und mehr I/Os erfordern im Allgemeinen mehr Kapazität. Diese Versorgungen könnten neben analogen oder langsamen digitalen Versorgungen existieren, die immer noch mit geringerer Bandbreite arbeiten können. Die Frage wird dann:

• Sollten Sie eine einzelne Schiene für mehrere Versorgungspins auf der gleichen Spannungsebene verwenden?
  • Wenn ja, wie isolieren Sie diese Verbindungen voneinander ?
  • Wenn nicht, wie sollten Sie die verschiedenen PDN-Abschnitte entwerfen?

Der alternative Ansatz mit Reglern, die Strom von einer einzelnen Schiene isolieren, wird unten gezeigt.

Welchen dieser Ansätze sollten Sie also verwenden? Manchmal ist das keine so einfache Frage. Es gibt eine einfache Methode, um den Kapazitätsbedarf einer einzelnen Schiene abzuschätzen, die ich in einem anderen Artikel behandeln werde. Aber in diesen Fällen könnte es schwierig sein, all diese Kondensatoren auf einer einzigen Schiene unterzubringen und zu erwarten, dass der Lärm niedrig bleibt. Deshalb haben in manchen Systemen Komponenten mit mehreren Versorgungen ihre eigenen Regler und ihre eigene Kapazität, da dies eine Isolierung zwischen den Schienen bietet.

Ein Beispiel für ein FPGA-Entwicklungsboard wird unten gezeigt. Diese Stromtopologie verwendet mehrere Regler, um saubere Energie für verschiedene Pin-Bänke im FPGA bereitzustellen. Dafür gibt es ein paar Gründe. Erstens benötigen verschiedene Schienen unterschiedliche Ströme zu unterschiedlichen Flankensteilheiten, daher ist es einfach, mit separaten Schienen unter Verwendung verschiedener Regler zu entwerfen. Zweitens könnten die langsameren Schienen lärmempfindlich sein, sodass die Verwendung mehrerer Regler eine natürliche Isolierung bietet.

Abschließende Gedanken

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Anwenden von Filterung auf eine störanfällige Stromschiene, um eine oder mehrere saubere Schienen zu erstellen, das Verständnis der Frequenz erfordert, bei der die Lasten betrieben werden müssen. Wenn das Design eine Reihe von digitalen ICs unterstützen muss, die saubere Energie bis zu sehr hohen Frequenzen benötigen, dann sollten Sie keine Komponente verwenden, die eine hohe Impedanz entlang dieser Schiene erzeugt.

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