Cómo filtrar rieles de alimentación ruidosos

Aunque una fuente de alimentación pueda parecer que produce energía limpia en un osciloscopio, la operación de una fuente de alimentación en un sistema real puede crear ruido o ser susceptible al ruido. Las líneas de alimentación a menudo necesitan suministrar energía a múltiples dispositivos en un sistema a la misma tensión, pero con energía limpia en diferentes partes del sistema. Cuando ese es el caso, puede ser necesario limpiar el ruido en la línea principal antes de proporcionarlo a diferentes partes de su sistema.

Dependiendo del rango de frecuencia en el que operan los componentes, esto se puede hacer con circuitos de filtro simples, capacitancia extra y, en casos específicos, un núcleo de ferrita es apropiado. Así que en este blog, esbozaré algunos casos donde diferentes tipos de circuitos de filtro pueden usarse en una línea de alimentación para filtrar la energía que entra a un dispositivo objetivo. A veces, el mejor caso es separar una línea en diferentes líneas con múltiples reguladores, mientras que en otros casos una sola línea puede ser utilizada y filtrada para proporcionar energía limpia a diferentes dispositivos.

Dónde se Aplica el Filtrado para Energía Limpia

Podemos visualizar dónde aplicar el filtrado para asegurar que la energía limpia llegue a diferentes dispositivos mirando un árbol de alimentación. La imagen a continuación muestra un ejemplo de árbol de alimentación como un diagrama de bloques con filtrado aplicado en diferentes secciones del árbol de alimentación. Esta imagen asume que la línea proporciona un voltaje DC, y hay varios dispositivos que se alimentan de cada línea.

El contexto importante aquí es una cuestión de frecuencia. Diferentes dispositivos que requieren energía en diferentes rangos de frecuencia podrán trabajar con diferentes tipos de filtrado. Por ejemplo, el filtrado de paso bajo con corte bajo sería apropiado para un dispositivo que solo opera en DC. En contraste, un dispositivo digital con E/S muy rápidas necesitará una línea de alimentación con baja impedancia hasta frecuencias muy altas, a pesar de que se alimenta de una línea DC. La estabilidad de la energía en diferentes rangos de frecuencia dictará qué tipo de filtrado es apropiado.

La tabla a continuación esboza algunos ejemplos donde diferentes tipos de filtrado pueden usarse.

Ahora veamos algunos ejemplos en diferentes rangos de frecuencia.

Componentes DC

Cuando un componente solo necesita energía de CC, lo que significa que no hay acción de conmutación ni corriente alterna que se extraiga en el riel de alimentación, entonces el filtrado de paso bajo es apropiado, incluyendo hasta el filtrado de paso bajo de orden superior. Esto podría aplicarse con uno de los siguientes componentes o circuitos:

• Filtro LC de paso bajo
• Filtro RC de paso bajo
• Perla de ferrita
• Capacitores grandes
• Filtro de CC activo con un amplificador operacional

Estos componentes o circuitos proporcionan una impedancia baja o moderada en o cerca de CC, mientras que proporcionan una alta impedancia a frecuencias más altas. Con una ferrita, filtro RC de paso bajo, capacitores o filtro de CC activo, la respuesta será de primer orden sin polo en la función de transferencia. En un filtro LC, el circuito necesita tener suficiente amortiguación para que cualquier polo en la función de transferencia no corresponda a un transitorio subamortiguado.

Frecuencias Bajas por Encima de CC

A estas frecuencias, la energía se está proporcionando típicamente a algunos sensores analógicos especiales, lo que significa que la placa es muy probablemente un sistema de señal mixta. En estos rangos, la mejor opción es típicamente un filtro LC o RC, aunque también se podría usar un filtro activo.

La energía a estas frecuencias necesita ser suministrada hasta cierto límite de banda. Aquí es donde deberías establecer el corte para un filtro de paso bajo. Para un filtro RC, esto es muy simple y se basa en la constante de tiempo. Para un filtro LC, aún necesitarás asegurarte de que la función de transferencia no tenga un polo que correspondería a una oscilación subamortiguada.

Frecuencias Altas y Circuitos Integrados Digitales

Aquí es donde se deben aplicar las mejores prácticas para la integridad de la energía. La PDN necesita tener una baja impedancia hasta alcanzar frecuencias bastante altas que llegan al rango de megahercios. La guía típica de colocar capacitores de volumen, desacoplamiento y bypass es una manera simple de abordar este requisito en ASICs digitales con solo una fuente de alimentación de E/S.

En los procesadores digitales, puede haber múltiples fuentes de alimentación de E/S a diferentes niveles de voltaje que necesitan proporcionar energía a dispositivos con tasas de cambio rápidas. Es por esto que los procesadores grandes a menudo necesitan un gran número de capacitores, y más E/S generalmente requieren más capacitancia. Estas fuentes podrían existir junto con suministros analógicos o digitales lentos que aún pueden funcionar con un ancho de banda más bajo. Entonces, la pregunta se convierte en:

• ¿Deberías usar un solo riel para múltiples pines de suministro al mismo voltaje?
  • Si sí, ¿cómo aislas estas conexiones entre sí?
  • Si no, ¿cómo deberías diseñar las diferentes secciones de PDN?

El enfoque alternativo con reguladores que aíslan la energía de un solo riel se muestra a continuación.

Entonces, ¿cuál de estos enfoques deberías usar? A veces esta no es una pregunta fácil de responder. Existe un método simple para estimar la cantidad de capacitancia que necesita un solo riel, lo cual abordaré en un artículo diferente. Pero en esos casos podría ser difícil colocar todos esos capacitores en un solo riel y esperar que el ruido permanezca bajo. Es por esto que en algunos sistemas, los componentes con múltiples suministros tendrán sus propios reguladores y su propia capacitancia, ya que esto proporcionará aislamiento entre rieles.

Un ejemplo para una placa de desarrollo FPGA se muestra a continuación. Esta topología de alimentación utiliza múltiples reguladores para proporcionar energía limpia a diferentes bancos de pines en el FPGA. Hay un par de razones para esto. Primero, diferentes rieles necesitan diferentes corrientes a diferentes tasas de cambio, por lo que es fácil diseñar con rieles separados usando diferentes reguladores. Segundo, los rieles más lentos podrían ser sensibles al ruido, por lo que usar múltiples reguladores proporciona aislamiento natural.

Reflexiones finales

Para resumir, aplicar filtrado a un riel de alimentación ruidoso para crear uno o más rieles limpios requiere entender la frecuencia a la que deben operar las cargas. Si el diseño necesita soportar un conjunto de ICS digitales que requieren energía limpia hasta frecuencias muy altas, entonces no deberías usar un componente que crea alta impedancia a lo largo de ese riel.

No importa qué tipo de topología de alimentación o circuito de filtrado necesites diseñar, puedes crear circuitos y diseñar PCBs con las mejores características de diseño electrónico de la industria en Altium Designer®. Para implementar la colaboración en el entorno interdisciplinario de hoy, las empresas innovadoras están utilizando la plataforma Altium 365™ para compartir fácilmente datos de diseño y poner proyectos en fabricación.

Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible con Altium Designer en Altium 365. Comienza tu prueba gratuita de Altium Designer + Altium 365 hoy.