Come filtrare le linee di alimentazione rumorose

Anche se un'alimentatore può sembrare che produca energia pulita su un oscilloscopio, il funzionamento dell'alimentatore in un sistema reale può creare rumore o essere suscettibile al rumore. Le linee di alimentazione spesso devono fornire energia a più dispositivi in un sistema alla stessa tensione, ma con energia pulita in diverse parti del sistema. Quando ciò accade, il rumore sulla linea principale potrebbe dover essere eliminato prima di essere fornito a diverse parti del tuo sistema.

A seconda della gamma di frequenze in cui operano i componenti, ciò può essere fatto con semplici circuiti di filtro, capacità extra e, in casi mirati, un nucleo di ferrite è appropriato. Quindi, in questo blog, delinerò alcuni casi in cui diversi tipi di circuiti di filtro possono essere utilizzati su una linea di alimentazione per filtrare l'energia in entrata in un dispositivo target. A volte, il caso migliore è separare una linea in diverse linee con più regolatori, mentre in altri casi una singola linea può essere prelevata e filtrata per fornire energia pulita a diversi dispositivi.

Dove si applica il filtraggio per un'alimentazione pulita

Possiamo visualizzare dove applicare il filtraggio per garantire che l'energia pulita raggiunga diversi dispositivi guardando un albero di alimentazione. L'immagine sottostante mostra un esempio di albero di alimentazione come diagramma a blocchi con il filtraggio applicato in diverse sezioni dell'albero di alimentazione. Questa immagine assume che la linea fornisca una tensione DC e ci sono diversi dispositivi che prelevano da ogni linea.

Il contesto importante qui è una questione di frequenza. Diversi dispositivi che richiedono energia su diverse gamme di frequenza saranno in grado di lavorare con diversi tipi di filtraggio. Ad esempio, il filtraggio passa-basso con basso taglio sarebbe appropriato per un dispositivo che opera solo in DC. Al contrario, un dispositivo digitale con I/O molto veloci avrà bisogno di una linea di alimentazione con bassa impedenza fino a frequenze molto alte, nonostante il fatto che prelevi energia da una linea DC. La stabilità dell'energia in diverse gamme di frequenza determinerà quale tipo di filtraggio è appropriato.

La tabella sottostante delinea alcuni esempi in cui possono essere utilizzati diversi tipi di filtraggio.

Ora diamo un'occhiata ad alcuni esempi in diverse gamme di frequenza.

Componenti DC

Quando un componente necessita solo di alimentazione DC, il che significa che non c'è azione di commutazione o corrente AC prelevata dalla linea di alimentazione, allora il filtraggio passa-basso è appropriato, includendo fino al filtraggio passa-basso di ordine superiore. Questo potrebbe essere applicato con uno dei seguenti componenti o circuiti:

• Filtro passa-basso LC
• Filtro passa-basso RC
• Perla di ferrite
• Condensatori di grande capacità
• Filtro DC attivo con un op amp

Questi componenti o circuiti forniscono un'impedenza bassa o moderata a o vicino al DC, mentre forniscono un'alta impedenza a frequenze più elevate. Con una perla di ferrite, filtro passa-basso RC, condensatori o filtro DC attivo, la risposta sarà di primo ordine senza polo nella funzione di trasferimento. In un filtro LC, il circuito deve avere abbastanza smorzamento in modo che qualsiasi polo nella funzione di trasferimento non corrisponda a un transitorio sottosmorzato.

Frequenze Basse Sopra il DC

A queste frequenze, l'alimentazione è tipicamente fornita a alcuni sensori analogici speciali, il che significa che la scheda è molto probabilmente un sistema a segnale misto. In questi intervalli, l'opzione migliore è tipicamente un filtro LC o RC, sebbene possa essere utilizzato anche un filtro attivo.

L'alimentazione a queste frequenze deve essere fornita fino ad un certo limite di banda. Qui è dove dovresti impostare il taglio per un filtro passa-basso. Per un filtro RC, questo è molto semplice ed è basato sulla costante di tempo. Per un filtro LC, dovrai comunque assicurarti che la funzione di trasferimento non abbia un polo che corrisponderebbe a un'oscillazione sottosmorzata.

Alte Frequenze e IC Digitali

Qui è dove devono essere applicate le migliori pratiche per l'integrità dell'alimentazione. La PDN deve avere un'impedenza bassa fino a raggiungere frequenze nell'ordine dei megahertz. La tipica linea guida di posizionamento di condensatori di massa, di disaccoppiamento e di bypass è un modo semplice per affrontare questo requisito su Asic digitali con un'unica alimentazione IO.

Nei processori digitali, possono esserci più alimentazioni I/O a diversi livelli di tensione che devono fornire alimentazione a dispositivi con tassi di commutazione veloci. Questo è il motivo per cui i grandi processori spesso necessitano di un gran numero di condensatori, e più I/O generalmente richiedono più capacità. Queste alimentazioni potrebbero esistere insieme a forniture analogiche o digitali lente che possono comunque funzionare con una larghezza di banda inferiore. La domanda diventa quindi:

• Dovresti usare un'unica linea per più pin di alimentazione alla stessa tensione?
  • Se sì, come puoi isolare queste connessioni l'una dall'altra?
  • Se no, come dovresti progettare le diverse sezioni della PDN?

L'approccio alternativo con regolatori che isolano l'alimentazione da un'unica linea è mostrato di seguito.

Quindi, quale di questi approcci dovresti usare? A volte questa non è una domanda così facile da rispondere. Esiste un metodo semplice per stimare la quantità di capacità di cui un singolo binario ha bisogno, che affronterò in un altro articolo. Ma in quei casi potrebbe essere difficile inserire tutti quei condensatori su un singolo binario e aspettarsi che il rumore rimanga basso. Ecco perché in alcuni sistemi, i componenti con alimentazioni multiple avranno i propri regolatori e la propria capacità poiché ciò fornirà isolamento tra i binari.

Di seguito è mostrato un esempio per una scheda di sviluppo FPGA. Questa topologia di alimentazione utilizza più regolatori al fine di fornire energia pulita a diverse banche di pin nell'FPGA. Ci sono un paio di motivi per questo. Primo, diversi binari necessitano di diverse correnti a diversi tassi di transizione, quindi è facile progettare con binari separati utilizzando diversi regolatori. Secondo, i binari più lenti potrebbero essere sensibili al rumore, quindi l'uso di più regolatori fornisce un'isolamento naturale.

Considerazioni Finali

Per riassumere, applicare il filtraggio a un binario di alimentazione rumoroso al fine di creare uno o più binari puliti richiede la comprensione della frequenza a cui i carichi devono operare. Se il design necessita di supportare un insieme di ICS digitali che richiedono energia pulita fino a frequenze molto alte, allora non dovresti usare un componente che crea alta impedenza lungo quel binario.

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