노이즈가 많은 전원 레일 필터링 방법

전원 공급 장치가 오실로스코프에서 깨끗한 전력을 생산하는 것처럼 보일 수 있지만, 실제 시스템에서의 전원 공급 장치 작동은 노이즈를 생성하거나 노이즈에 민감할 수 있습니다. 전원 레일은 종종 시스템 내 여러 장치에 동일한 전압으로 전력을 공급해야 하지만, 시스템의 다른 부분에서는 깨끗한 전력이 필요합니다. 그런 경우에는 메인 레일의 노이즈를 다른 시스템 부분에 제공하기 전에 정리해야 할 수도 있습니다.

구성 요소가 작동하는 주파수 범위에 따라, 이는 간단한 필터 회로, 추가 용량, 그리고 특정 경우에는 페라이트 비드가 적절하게 사용될 수 있습니다. 그래서 이 블로그에서는 대상 장치로 들어오는 전력을 필터링하기 위해 전원 레일에 다양한 유형의 필터 회로를 사용할 수 있는 경우를 개요할 것입니다. 때로는 레일을 여러 개의 레귤레이터가 있는 다른 레일로 분리하는 것이 최선의 경우일 수 있으며, 다른 경우에는 단일 레일에서 끌어와 다른 장치에 깨끗한 전력을 제공하기 위해 필터링할 수 있습니다.

깨끗한 전력을 위한 필터링 적용 위치

다양한 장치에 깨끗한 전력이 도달하도록 필터링을 적용할 위치를 시각화할 수 있습니다. 아래 이미지는 전력 트리의 예를 블록 다이어그램으로 보여주며, 전력 트리의 다양한 섹션에 필터링이 적용된 것을 보여줍니다. 이 이미지는 레일이 DC 전압을 제공한다고 가정하며, 각 레일에서 여러 장치가 전력을 끌어오고 있습니다.

여기서 중요한 맥락은 주파수의 문제입니다. 다른 주파수 범위에서 전력을 요구하는 다양한 장치는 다른 유형의 필터링으로 작동할 수 있습니다. 예를 들어, DC에서만 작동하는 장치의 경우 저역 통과 필터링이 적절할 수 있습니다. 반면, 매우 빠른 I/O를 가진 디지털 장치는 DC 레일에서 전력을 끌어오고 있음에도 불구하고 매우 높은 주파수까지 낮은 임피던스를 필요로 할 것입니다. 다양한 주파수 범위에서의 전력 안정성이 적절한 필터링 유형을 결정할 것입니다.

아래 표는 다양한 유형의 필터링이 사용될 수 있는 예를 개요합니다.

이제 다양한 주파수 범위에서의 몇 가지 예를 살펴보겠습니다.

DC 구성 요소

구성 요소가 DC 전력만 필요하고, 즉 전력 레일에 스위칭 동작이나 AC 전류가 인가되지 않는 경우, 저역 통과 필터링이 적합하며, 이는 고차 저역 통과 필터링까지 포함됩니다. 이는 다음 구성 요소나 회로 중 하나로 적용될 수 있습니다:

• 저역 통과 LC 필터
• 저역 통과 RC 필터
• 페라이트 비드
• 대용량 커패시터
• 오프앰프를 사용한 액티브 DC 필터

이러한 구성 요소나 회로는 DC 근처에서 낮거나 중간 정도의 임피던스를 제공하는 반면, 높은 주파수에서는 높은 임피던스를 제공합니다. 페라이트, 저역 통과 RC 필터, 커패시터 또는 액티브 DC 필터를 사용하면 전달 함수에 극점이 없는 1차 응답이 됩니다. LC 필터의 경우, 전달 함수에 있는 극점이 과도한 진동에 해당하지 않도록 회로가 충분한 감쇠를 가져야 합니다.

DC 이상의 저주파

이러한 주파수에서는 전력이 일반적으로 일부 특수 아날로그 센서에 제공되는데, 이는 보드가 대부분 혼합 신호 시스템일 가능성이 높습니다. 이 범위에서는 일반적으로 LC 또는 RC 필터가 가장 좋은 옵션이지만, 액티브 필터도 사용될 수 있습니다.

이러한 주파수에서는 어떤 대역 가장자리까지 전력을 공급해야 합니다. 이것이 저역 통과 필터의 컷오프를 설정해야 하는 지점입니다. RC 필터의 경우 이것은 매우 간단하며 시간 상수에 기반합니다. LC 필터의 경우에도 전달 함수에 과도한 진동에 해당하는 극점이 없는지 확인해야 합니다.

고주파와 디지털 IC

이때 전력 무결성에 대한 최선의 관행이 적용되어야 합니다. PDN은 메가헤르츠 범위로 들어가는 상당히 높은 주파수까지 낮은 임피던스를 가져야 합니다. 디지털 Asics에서 단일 IO 공급만 있는 경우 볼크, 디커플링 및 바이패스 커패시터를 배치하는 전형적인 지침은 이 요구 사항을 해결하는 간단한 방법입니다.

디지털 프로세서에서는 다양한 전압 수준에서 여러 I/O 공급이 있을 수 있으며, 이는 빠른 에지 속도를 가진 비디오에 전력을 공급해야 합니다. 이것이 대형 프로세서가 종종 많은 수의 커패시터를 필요로 하고, 더 많은 I/O는 일반적으로 더 많은 용량을 요구하는 이유입니다. 이러한 공급은 여전히 낮은 대역폭으로 작동할 수 있는 아날로그 또는 느린 디지털 공급과 함께 존재할 수 있습니다. 그러면 질문이 됩니다:

• 동일한 전압에서 여러 공급 핀에 대해 단일 레일을 사용해야 합니까?
  • 그렇다면, 이러한 연결을 서로 어떻게 격리할 수 있습니까?
  • 아니라면, 다른 PDN 섹션을 어떻게 설계해야 합니까?

단일 레일에서 전력을 격리하는 레귤레이터를 사용한 대안적 접근 방식은 아래에 나와 있습니다.

그렇다면 이러한 접근 방식 중 어떤 것을 사용해야 할까요? 때로는 이 질문에 답하기가 그리 쉽지 않습니다. 단일 레일에 필요한 커패시턴스의 양을 추정하는 간단한 방법이 있으며, 이는 다른 기사에서 다룰 예정입니다. 하지만 이러한 경우에는 모든 커패시터를 단일 레일에 맞추고 소음이 낮게 유지되기를 기대하기 어려울 수 있습니다. 이것이 바로 일부 시스템에서는 여러 공급원을 가진 구성 요소가 자체 레귤레이터와 자체 커패시턴스를 가지고 있어 레일 간의 격리를 제공하는 이유입니다.

아래에 표시된 FPGA 개발 보드의 예입니다. 이 전원 토폴로지는 FPGA의 다른 핀 뱅크에 깨끗한 전원을 제공하기 위해 여러 레귤레이터를 사용합니다. 이에는 몇 가지 이유가 있습니다. 첫째, 다른 레일은 다른 에지 속도에서 다른 전류가 필요하므로 다른 레귤레이터를 사용하여 별도의 레일로 설계하기가 쉽습니다. 둘째, 느린 레일은 소음에 민감할 수 있으므로 여러 레귤레이터를 사용하면 자연스러운 격리가 제공됩니다.

최종 생각

요약하자면, 소음이 많은 전원 레일에 필터링을 적용하여 하나 이상의 깨끗한 레일을 만들기 위해서는 부하가 작동해야 하는 주파수를 이해해야 합니다. 디지털 IC 세트가 매우 높은 주파수까지 깨끗한 전원을 요구하는 디자인이 필요한 경우, 해당 레일을 따라 고임피던스를 생성하는 구성 요소를 사용해서는 안 됩니다.

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