Comment filtrer les rails d'alimentation bruyants

Bien qu'une alimentation puisse sembler produire une énergie propre sur un oscilloscope, son fonctionnement dans un système réel peut créer du bruit ou y être sensible. Les rails d'alimentation doivent souvent fournir de l'énergie à plusieurs dispositifs dans un système à la même tension, mais avec une énergie propre dans différentes parties du système. Lorsque c'est le cas, le bruit sur le rail principal peut nécessiter d'être nettoyé avant d'être fourni à différentes parties de votre système.

En fonction de la plage de fréquences à laquelle les composants fonctionnent, cela peut être réalisé avec des circuits de filtrage simples, une capacité supplémentaire, et dans des cas ciblés, une perle de ferrite est appropriée. Donc, dans ce blog, je vais décrire certains cas où différents types de circuits de filtrage peuvent être utilisés sur un rail d'alimentation pour filtrer l'énergie arrivant à un dispositif cible. Parfois, le meilleur cas est de séparer un rail en différents rails avec plusieurs régulateurs, tandis que dans d'autres cas, un seul rail peut être tiré et filtré pour fournir une énergie propre à différents dispositifs.

Où le filtrage est appliqué pour une énergie propre

Nous pouvons visualiser où appliquer le filtrage pour assurer qu'une énergie propre atteigne différents dispositifs en regardant un arbre d'alimentation. L'image ci-dessous montre un exemple d'arbre d'alimentation sous forme de diagramme de blocs avec un filtrage appliqué dans différentes sections de l'arbre d'alimentation. Cette image suppose que le rail fournit une tension DC, et il y a plusieurs dispositifs se branchant sur chaque rail.

Le contexte important ici est une question de fréquence. Différents dispositifs nécessitant de l'énergie à travers différentes plages de fréquences pourront travailler avec différents types de filtrage. Par exemple, un filtrage passe-bas avec une faible coupure serait approprié pour un dispositif qui fonctionne uniquement en DC. En contraste, un dispositif numérique avec des E/S très rapides aura besoin d'un rail d'alimentation avec une faible impédance jusqu'à des fréquences très élevées, malgré le fait qu'il tire de l'énergie d'un rail DC. La stabilité de l'énergie dans différentes plages de fréquences dictera quel type de filtrage est approprié.

Le tableau ci-dessous décrit quelques exemples où différents types de filtrage peuvent être utilisés.

Examinons maintenant quelques exemples dans différentes plages de fréquences.

Composants DC

Lorsqu'un composant nécessite uniquement une alimentation en courant continu, ce qui signifie qu'il n'y a pas d'action de commutation ou de courant alternatif tiré sur le rail d'alimentation, alors le filtrage passe-bas est approprié, y compris jusqu'au filtrage passe-bas d'ordre supérieur. Cela pourrait être appliqué avec l'un des composants ou circuits suivants :

• Filtre passe-bas LC
• Filtre passe-bas RC
• Perle de ferrite
• Grands condensateurs
• Filtre DC actif avec un ampli op

Ces composants ou circuits fournissent une impédance faible ou modérée à ou près du courant continu, tandis qu'ils fournissent une haute impédance à des fréquences plus élevées. Avec une perle de ferrite, un filtre passe-bas RC, des condensateurs ou un filtre DC actif, la réponse sera du premier ordre sans pôle dans la fonction de transfert. Dans un filtre LC, le circuit doit avoir suffisamment d'amortissement pour que tout pôle dans la fonction de transfert ne corresponde pas à un transitoire sous-amorti.

Fréquences basses au-dessus du courant continu

À ces fréquences, l'alimentation est généralement fournie à certains capteurs analogiques spécialisés, ce qui signifie que la carte est très probablement un système à signaux mixtes. Dans ces gammes, la meilleure option est généralement un filtre LC ou RC, bien qu'un filtre actif puisse également être utilisé.

L'alimentation à ces fréquences doit être fournie jusqu'à une certaine limite de bande. C'est là que vous devriez définir la coupure pour un filtre passe-bas. Pour un filtre RC, c'est très simple et se base sur la constante de temps. Pour un filtre LC, vous devrez toujours vous assurer que la fonction de transfert n'a pas de pôle qui correspondrait à une oscillation sous-amortie.

Hautes fréquences et circuits intégrés numériques

C'est là que les meilleures pratiques pour l'intégrité de l'alimentation doivent être appliquées. Le PDN doit avoir une faible impédance jusqu'à des fréquences assez élevées atteignant la gamme des mégahertz. La directive typique de placement des condensateurs de volume, de découplage et de bypass est une manière simple de répondre à cette exigence sur les Asics numériques avec une seule alimentation d'E/S.

Dans les processeurs numériques, il peut y avoir plusieurs alimentations d'E/S à différents niveaux de tension qui doivent fournir de l'énergie à des vidéos avec des taux de montée rapides. C'est pourquoi les grands processeurs ont souvent besoin d'un grand nombre de condensateurs, et plus d'E/S nécessitent généralement plus de capacitance. Ces alimentations pourraient exister aux côtés d'alimentations analogiques ou numériques lentes qui peuvent encore fonctionner avec une bande passante inférieure. La question devient alors :

• Devriez-vous utiliser un seul rail pour plusieurs broches d'alimentation à la même tension ?
  • Si oui, comment isoler ces connexions les unes des autres ?
  • Sinon, comment devriez-vous concevoir les différentes sections du PDN ?

L'approche alternative avec des régulateurs isolant l'alimentation d'un seul rail est illustrée ci-dessous.

Alors, quelle approche devriez-vous utiliser ? Parfois, ce n'est pas une question si facile à répondre. Il existe une méthode simple pour estimer la quantité de capacité dont un rail unique a besoin, que j'aborderai dans un autre article. Mais dans ces cas, il pourrait être difficile de placer tous ces condensateurs sur un seul rail et de s'attendre à ce que le bruit reste faible. C'est pourquoi dans certains systèmes, les composants avec plusieurs alimentations auront leurs propres régulateurs et leur propre capacité car cela fournira une isolation entre les rails.

Un exemple pour une carte de développement FPGA est montré ci-dessous. Cette topologie d'alimentation utilise plusieurs régulateurs afin de fournir une alimentation propre à différentes banques de broches dans le FPGA. Il y a plusieurs raisons à cela. Premièrement, différents rails nécessitent différents courants à différents taux de transition, donc il est facile de concevoir avec des rails séparés utilisant différents régulateurs. Deuxièmement, les rails plus lents pourraient être sensibles au bruit, donc l'utilisation de plusieurs régulateurs fournit une isolation naturelle.

Réflexions finales

Pour résumer, appliquer un filtrage à un rail d'alimentation bruyant afin de créer un ou plusieurs rails propres nécessite de comprendre la fréquence à laquelle les charges doivent fonctionner. Si la conception doit supporter un ensemble de circuits intégrés numériques qui nécessitent une alimentation propre jusqu'à des fréquences très élevées, alors vous ne devriez pas utiliser un composant qui crée une haute impédance le long de ce rail.

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