Como Filtrar Trilhos de Alimentação Ruidosos

Embora uma fonte de alimentação possa parecer que produz energia limpa em um osciloscópio, a operação da fonte de alimentação em um sistema real pode criar ruído ou ser suscetível a ruído. As linhas de alimentação muitas vezes precisam fornecer energia para vários dispositivos em um sistema na mesma tensão, mas com energia limpa em diferentes partes do sistema. Quando esse é o caso, o ruído na linha principal pode precisar ser limpo antes de ser fornecido a diferentes partes do seu sistema.

Dependendo da faixa de frequência na qual os componentes estão operando, isso pode ser feito com circuitos de filtro simples, capacitância extra e, em casos específicos, um núcleo de ferrite é apropriado. Então, neste blog, vou delinear alguns casos onde diferentes tipos de circuitos de filtro podem ser usados em uma linha de alimentação para filtrar a energia que chega a um dispositivo alvo. Às vezes, o melhor caso é separar uma linha em diferentes linhas com múltiplos reguladores, enquanto em outros casos uma única linha pode ser utilizada e filtrada para fornecer energia limpa a diferentes dispositivos.

Onde a Filtragem é Aplicada para Energia Limpa

Podemos visualizar onde aplicar a filtragem para garantir que a energia limpa chegue a diferentes dispositivos olhando para uma árvore de alimentação. A imagem abaixo mostra um exemplo de árvore de alimentação como um diagrama de blocos com filtragem aplicada em diferentes seções da árvore de alimentação. Esta imagem assume que a linha fornece uma tensão DC, e há vários dispositivos se alimentando de cada linha.

O contexto importante aqui é uma questão de frequência. Diferentes dispositivos que requerem energia em diferentes faixas de frequência poderão trabalhar com diferentes tipos de filtragem. Por exemplo, a filtragem de passa-baixa com baixo corte seria apropriada para um dispositivo que opera apenas em DC. Em contraste, um dispositivo digital com I/Os muito rápidos precisará de uma linha de alimentação com baixa impedância até frequências muito altas, apesar do fato de estar se alimentando de uma linha DC. A estabilidade da energia em diferentes faixas de frequência ditará que tipo de filtragem é apropriada.

A tabela abaixo delineia alguns exemplos onde diferentes tipos de filtragem podem ser usados.

Agora vamos olhar para alguns exemplos em diferentes faixas de frequência.

Componentes DC

Quando um componente precisa apenas de energia DC, ou seja, não há ação de comutação ou corrente AC sendo desenhada na trilha de energia, então a filtragem de baixa passagem é apropriada, incluindo até filtragem de baixa passagem de ordem superior. Isso pode ser aplicado com um dos seguintes componentes ou circuitos:

• Filtro LC de baixa passagem
• Filtro RC de baixa passagem
• Conta de ferrite
• Capacitores grandes
• Filtro DC ativo com um amplificador operacional

Esses componentes ou circuitos fornecem baixa ou moderada impedância em ou próximo a DC, enquanto eles fornecem alta impedância em frequências mais altas. Com uma conta de ferrite, filtro RC de baixa passagem, capacitores ou filtro DC ativo, a resposta será de primeira ordem sem polo na função de transferência. Em um filtro LC, o circuito precisa ter amortecimento suficiente para que qualquer polo na função de transferência não corresponda a uma transiente subamortecida.

Frequências Baixas Acima de DC

Nessas frequências, a energia é tipicamente fornecida a alguns sensores analógicos especiais, o que significa que a placa é mais provavelmente um sistema de sinal misto. Nestes intervalos, a melhor opção é tipicamente um filtro LC ou RC, embora um filtro ativo também possa ser usado.

A energia nessas frequências precisa ser fornecida até algum limite de banda. É aqui que você deve definir o corte para um filtro de baixa passagem. Para um filtro RC, isso é muito simples e é baseado na constante de tempo. Para um filtro LC, você ainda precisará garantir que a função de transferência não tenha um polo que corresponderia a uma oscilação subamortecida.

Altas Frequências e ICs Digitais

É aqui que melhores práticas para integridade de energia precisam ser aplicadas. A PDN precisa ter baixa impedância até alcançar frequências bastante altas, entrando na faixa de megahertz. A orientação típica de colocação de capacitores de volume, desacoplamento e bypass é uma maneira simples de atender a essa exigência em Asics digitais com apenas uma fonte de IO.

Em processadores digitais, pode haver múltiplas fontes de I/O em diferentes níveis de tensão que precisam fornecer energia para dispositivos com taxas de transição rápidas. É por isso que grandes processadores frequentemente precisam de um grande número de capacitores, e mais I/Os geralmente requerem mais capacitância. Essas fontes podem existir ao lado de fontes analógicas ou digitais lentas que ainda podem funcionar com largura de banda menor. A questão então se torna:

• Deve-se usar um único trilho para vários pinos de fornecimento na mesma tensão?
  • Se sim, como você isola essas conexões umas das outras?
  • Se não, como você deve projetar as diferentes seções da PDN?

A abordagem alternativa com reguladores isolando energia de um único trilho é mostrada abaixo.

Então, qual dessas abordagens você deve usar? Às vezes, essa não é uma pergunta tão fácil de responder. Existe um método simples para estimar a quantidade de capacitância que um único trilho precisa, o qual abordarei em um artigo diferente. Mas, nesses casos, pode ser difícil encaixar todos esses capacitores em um único trilho e esperar que o ruído permaneça baixo. É por isso que, em alguns sistemas, componentes com múltiplas fontes terão seus próprios reguladores e sua própria capacitância, pois isso proporcionará isolamento entre trilhos.

Um exemplo para uma placa de desenvolvimento FPGA é mostrado abaixo. Esta topologia de alimentação usa múltiplos reguladores para fornecer energia limpa para diferentes bancos de pinos no FPGA. Há algumas razões para isso. Primeiro, diferentes trilhos precisam de diferentes correntes em diferentes taxas de borda, então é fácil projetar com trilhos separados usando diferentes reguladores. Segundo, os trilhos mais lentos podem ser sensíveis ao ruído, então usar múltiplos reguladores proporciona um isolamento natural.

Considerações Finais

Para resumir, aplicar filtragem a um trilho de alimentação ruidoso para criar um ou mais trilhos limpos requer entender a frequência na qual as cargas devem operar. Se o design precisa suportar um conjunto de ICS digitais que requerem energia limpa até frequências muito altas, então você não deve usar um componente que cria alta impedância ao longo desse trilho.

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