ノイズの多い電源レールのフィルタリング方法

電源がオシロスコープでクリーンな電力を生産しているように見えても、実際のシステムでの電源の動作はノイズを生じさせたり、ノイズに影響されやすいことがあります。電源レールはしばしば、同じ電圧でシステム内の複数のデバイスに電力を供給する必要がありますが、システムの異なる部分でクリーンな電力が必要です。その場合、メインレール上のノイズは、システムの異なる部分に供給される前にクリーンアップする必要があります。

コンポーネントが動作する周波数範囲に応じて、これは単純なフィルタ回路、追加のキャパシタンス、および特定の場合にはフェライトビーズを使用して行うことができます。したがって、このブログでは、ターゲットデバイスに電力を供給するために電源レール上で異なるタイプのフィルタ回路を使用できる場合についていくつかのケースを概説します。場合によっては、レールを複数のレギュレータを持つ異なるレールに分けるのが最善の場合もありますが、他の場合では、単一のレールから引き出して異なるデバイスにクリーンな電力を供給するためにフィルタリングすることができます。

クリーンな電力のためにフィルタリングが適用される場所

クリーンな電力が異なるデバイスに届くようにフィルタリングを適用する場所を視覚化することができます。下の画像は、電源ツリーのブロック図としての例を示しており、電源ツリーの異なるセクションにフィルタリングが適用されています。この画像は、レールが直流電圧を提供し、各レールから複数のデバイスが引き出されていることを前提としています。

ここで重要な文脈は周波数の問題です。異なる周波数範囲で電力を必要とする異なるデバイスは、異なるタイプのフィルタリングで動作することができます。例えば、DCでのみ動作するデバイスには、低いカットオフを持つローパスフィルタリングが適しています。対照的に、非常に高速なI/Oを持つデジタルデバイスは、DCレールから電力を引き出しているにもかかわらず、非常に高い周波数まで低インピーダンスを持つ電源レールが必要です。異なる周波数範囲での電力の安定性が、どのタイプのフィルタリングが適切かを決定します。

以下の表は、異なるタイプのフィルタリングが使用できる例をいくつか概説しています。

さて、異なる周波数範囲での例を見てみましょう。

直流コンポーネント

コンポーネントがDC電源のみを必要とし、電源レールにスイッチング動作やAC電流が流れない場合、低通フィルタリングが適切です。これには、高次の低通フィルタリングも含まれます。以下のコンポーネントや回路のいずれかで適用できます：

• 低通LCフィルタ
• 低通RCフィルタ
• フェライトビーズ
• 大容量キャパシタ
• オペアンプを使用したアクティブDCフィルタ

これらのコンポーネントや回路は、DC付近で低または中程度のインピーダンスを提供し、高周波数では高インピーダンスを提供します。フェライト、低通RCフィルタ、キャパシタ、またはアクティブDCフィルタを使用すると、伝達関数に極がない一次応答になります。LCフィルタの場合、伝達関数の極が過渡的に過小減衰に対応しないように、回路には十分な減衰が必要です。

DC以上の低周波数

これらの周波数では、通常、特殊なアナログセンサーに電力が供給されており、これは基板が混合信号システムであることを意味します。これらの範囲では、通常、LCまたはRCフィルタが最適な選択肢ですが、アクティブフィルタも使用できます。

これらの周波数での電力は、ある帯域エッジまで供給する必要があります。これが低通フィルタのカットオフを設定すべき場所です。RCフィルタの場合、これは非常にシンプルで、時定数に基づいています。LCフィルタの場合、伝達関数に過小減衰振動に対応する極がないことを確認する必要があります。

高周波数とデジタルIC

ここでは、電力完全性のためのベストプラクティスを適用する必要があります。PDNは、メガヘルツ範囲に達するまでの非常に高い周波数まで低インピーダンスを維持する必要があります。デジタルASICでIO電源が1つのみの場合、バルク、デカップリング、バイパスキャパシタを配置する典型的なガイドラインは、この要件に対処する簡単な方法です。

デジタルプロセッサでは、異なる電圧レベルで複数のI/O電源が存在し、高速エッジレートを持つデバイスに電力を供給する必要があります。これが、大型プロセッサが多数のキャパシタを必要とし、一般により多くのI/Oがより多くのキャパシタンスを必要とする理由です。これらの供給は、低帯域幅で動作できるアナログまたは遅いデジタル供給と並存することがあります。その場合の疑問は：

• 同じ電圧の複数の供給ピンに単一のレールを使用すべきか？
  • はいの場合、これらの接続を互いにどのように隔離するか？
  • いいえの場合、異なるPDNセクションをどのように設計すべきか？

単一のレールからの電力をレギュレータで隔離する代替アプローチは以下の通りです。

では、これらのアプローチのどれを使用すべきでしょうか？これはいつも簡単に答えられる質問ではありません。単一のレールに必要なキャパシタンスの量を推定する簡単な方法がありますが、それについては別の記事で取り上げます。しかし、その場合、すべてのキャパシタを単一のレールに収めてノイズを低く保つのは難しいかもしれません。これが、複数の供給を持つコンポーネントが独自のレギュレータとキャパシタンスを持つことで、レール間の隔離を提供する理由です。

FPGA開発ボードの例を以下に示します。この電源トポロジーは、FPGAの異なるピンバンクにクリーンな電力を提供するために、複数のレギュレータを使用しています。これにはいくつかの理由があります。まず、異なるレールは異なるエッジレートで異なる電流を必要とするため、異なるレギュレータを使用して別々のレールを設計するのは簡単です。次に、遅いレールはノイズに敏感である可能性があるため、複数のレギュレータを使用することで自然な隔離が提供されます。

最終的な考え

要約すると、ノイズの多い電源レールにフィルタリングを適用して1つ以上のクリーンなレールを作成するには、負荷が動作する必要がある周波数を理解することが必要です。非常に高い周波数までクリーンな電力を必要とするデジタルICのセットをサポートする設計が必要な場合、そのレールに沿って高インピーダンスを作り出すコンポーネントを使用すべきではありません。

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