Jak filtrować szumy na szynach zasilających

Chociaż zasilacz może wydawać się, że dostarcza czystą energię przy oglądaniu na oscyloskopie, działanie zasilacza w rzeczywistym systemie może generować szumy lub być wrażliwe na szumy. Szyny zasilające często muszą dostarczać energię do wielu urządzeń w systemie przy tym samym napięciu, ale z czystą energią w różnych częściach systemu. Gdy tak się dzieje, szumy na głównej szynie mogą wymagać oczyszczenia przed dostarczeniem do różnych części systemu.

W zależności od zakresu częstotliwości, w jakim działają komponenty, można to zrobić za pomocą prostych obwodów filtrujących, dodatkowej pojemności, a w wybranych przypadkach odpowiednia jest koralik ferrytowy. Dlatego w tym blogu przedstawię niektóre przypadki, w których różne typy obwodów filtrujących mogą być używane na szynie zasilającej do filtrowania energii dostarczanej do docelowego urządzenia. Czasami najlepszym rozwiązaniem jest podzielenie szyny na różne szyny z wieloma regulatorami, podczas gdy w innych przypadkach pojedyncza szyna może być pobierana i filtrowana, aby dostarczyć czystą energię do różnych urządzeń.

Gdzie stosuje się filtrowanie dla czystej energii

Możemy zobrazować, gdzie zastosować filtrowanie, aby zapewnić czystą energię różnym urządzeniom, patrząc na drzewo zasilania. Poniższy obrazek pokazuje przykładowe drzewo zasilania jako schemat blokowy z zastosowanym filtrowaniem w różnych sekcjach drzewa zasilania. Obrazek zakłada, że szyna dostarcza napięcie stałe DC, i że istnieje kilka urządzeń pobierających energię z każdej szyny.

Ważnym kontekstem tutaj jest kwestia częstotliwości. Różne urządzenia wymagające zasilania w różnych zakresach częstotliwości będą mogły pracować z różnymi typami filtrowania. Na przykład, filtr dolnoprzepustowy z niską częstotliwością odcięcia byłby odpowiedni dla urządzenia działającego tylko w DC. W przeciwieństwie, urządzenie cyfrowe z bardzo szybkimi wejściami/wyjściami będzie potrzebować szyny zasilającej o niskiej impedancji aż do bardzo wysokich częstotliwości, pomimo tego, że pobiera energię z szyny DC. Stabilność zasilania w różnych zakresach częstotliwości będzie dyktować, jakie filtrowanie jest odpowiednie.

Poniższa tabela przedstawia niektóre przykłady, gdzie różne typy filtrowania mogą być używane.

Teraz przyjrzyjmy się niektórym przykładom w różnych zakresach częstotliwości.

Komponenty DC

Gdy komponent potrzebuje tylko mocy stałoprądowej, co oznacza, że nie ma działania przełączającego ani poboru prądu przemiennego do szyny zasilającej, wówczas odpowiednie jest stosowanie filtracji dolnoprzepustowej, w tym filtracji dolnoprzepustowej wyższych rzędów. Można to zastosować z użyciem jednego z poniższych komponentów lub obwodów:

• Filtr dolnoprzepustowy LC
• Filtr dolnoprzepustowy RC
• Koralik ferrytowy
• Duże kondensatory
• Aktywny filtr DC z wzmacniaczem operacyjnym

Te komponenty lub obwody zapewniają niską lub umiarkowaną impedancję w pobliżu DC, podczas gdy na wyższych częstotliwościach zapewniają wysoką impedancję. W przypadku koralika ferrytowego, filtru dolnoprzepustowego RC, kondensatorów lub aktywnego filtra DC, odpowiedź będzie pierwszego rzędu bez bieguna w funkcji przenoszenia. W filtrze LC obwód musi mieć wystarczającą tłumienność, aby żaden biegun w funkcji przenoszenia nie odpowiadał niedotłumionemu przejściu.

Niskie częstotliwości powyżej DC

Na tych częstotliwościach moc jest zwykle dostarczana do niektórych specjalistycznych czujników analogowych, co oznacza, że płyta jest najprawdopodobniej systemem mieszanych sygnałów. W tych zakresach najlepszą opcją jest zwykle filtr LC lub RC, chociaż można również użyć filtra aktywnego.

Moc na tych częstotliwościach musi być dostarczana aż do pewnej krawędzi pasma. To jest miejsce, gdzie należy ustawić granicę przepustowości dla filtra dolnoprzepustowego. Dla filtra RC jest to bardzo proste i opiera się na stałej czasowej. Dla filtra LC nadal musisz upewnić się, że funkcja przenoszenia nie ma bieguna, który odpowiadałby niedotłumionej oscylacji.

Wysokie częstotliwości i cyfrowe układy scalone

To tutaj należy stosować najlepsze praktyki dotyczące integralności zasilania. PDN musi mieć niską impedancję aż do dość wysokich częstotliwości sięgających zakresu megaherców. Typowa wytyczna dotycząca umieszczania kondensatorów buforowych, odsprzęgających i omijających jest prostym sposobem na spełnienie tego wymagania w cyfrowych układach scalonych z jednym zasilaniem IO.

W cyfrowych procesorach może być wiele zasilaczy I/O na różnych poziomach napięć, które muszą dostarczać moc urządzeniom z szybkimi szybkościami zboczy. Dlatego duże procesory często wymagają dużej liczby kondensatorów, a więcej I/O zazwyczaj wymaga większej pojemności. Te zasilania mogą istnieć obok analogowych lub wolnych cyfrowych zasilaczy, które mogą nadal działać z mniejszą przepustowością. Pytanie brzmi zatem:

• Czy należy użyć pojedynczej szyny dla wielu pinów zasilających o tym samym napięciu?
  • Jeśli tak, jak izolować te połączenia od siebie?
  • Jeśli nie, jak należy zaprojektować różne sekcje PDN?

Alternatywne podejście z regulatorami izolującymi moc od pojedynczej szyny jest pokazane poniżej.

Które z tych podejść powinieneś więc użyć? Czasami nie jest to takie proste pytanie. Istnieje prosty sposób na oszacowanie ilości pojemności, jakiej potrzebuje pojedyncza szyna, który omówię w innym artykule. Ale w tych przypadkach może być trudno zmieścić wszystkie te kondensatory na pojedynczej szynie i oczekiwać, że szum pozostanie niski. Dlatego w niektórych systemach komponenty z wieloma zasilaniami będą miały własne regulatory i własną pojemność, ponieważ zapewni to izolację między szynami.

Przykład dla płytki rozwojowej FPGA jest pokazany poniżej. Ta topologia zasilania używa wielu regulatorów, aby zapewnić czyste zasilanie różnym bankom pinów w FPGA. Jest kilka powodów tego. Po pierwsze, różne szyny potrzebują różnych prądów przy różnych szybkościach narastania, więc łatwo jest projektować z osobnymi szynami używając różnych regulatorów. Po drugie, wolniejsze szyny mogą być wrażliwe na szum, więc użycie wielu regulatorów zapewnia naturalną izolację.

Podsumowanie

Podsumowując, stosowanie filtracji do szumnej szyny zasilającej w celu stworzenia jednej lub więcej czystych szyn wymaga zrozumienia częstotliwości, na której muszą pracować obciążenia. Jeśli projekt musi wspierać zestaw cyfrowych układów scalonych, które wymagają czystego zasilania do bardzo wysokich częstotliwości, wtedy nie należy używać komponentu, który tworzy wysoką impedancję wzdłuż tej szyny.

Niezależnie od tego, jakiego typu topologię zasilania czy układ filtrujący potrzebujesz zaprojektować, możesz tworzyć obwody i projektować PCB z najlepszymi na rynku funkcjami projektowania elektroniki w Altium Designer®. Aby wdrożyć współpracę w dzisiejszym środowisku interdyscyplinarnym, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™, aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Przedstawiliśmy tylko niewielką część możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.