Как фильтровать шумные линии питания

Хотя блок питания может казаться на осциллографе как источник чистого питания, в реальной системе его работа может создавать шум или быть подверженной шуму. Шины питания часто должны обеспечивать питание нескольких устройств в системе на одном и том же напряжении, но с чистым питанием в разных частях системы. Когда это так, шум на основной шине может потребовать очистки перед подачей в различные части вашей системы.

В зависимости от диапазона частот, на которых работают компоненты, это может быть выполнено с помощью простых фильтрующих схем, дополнительной емкости и, в целевых случаях, использованием ферритового буса. Так что в этом блоге я опишу некоторые случаи, когда различные типы фильтрующих схем могут быть использованы на шине питания для фильтрации питания, поступающего на целевое устройство. Иногда лучшим решением является разделение шины на разные шины с несколькими регуляторами, в других случаях одну шину можно использовать и фильтровать для обеспечения чистого питания различных устройств.

Где применяется фильтрация для чистого питания

Мы можем визуализировать, где применять фильтрацию, чтобы обеспечить чистое питание различных устройств, рассматривая дерево питания. Изображение ниже показывает пример дерева питания в виде блок-схемы с применением фильтрации в различных секциях дерева питания. На этом изображении предполагается, что шина обеспечивает постоянное напряжение, и несколько устройств подключаются к каждой шине.

Важным контекстом здесь является вопрос частоты. Различные устройства, требующие питания на разных частотных диапазонах, смогут работать с различными типами фильтрации. Например, фильтрация нижних частот с низкой границей будет подходить для устройства, работающего только на постоянном токе. В отличие от этого, цифровое устройство с очень быстрыми входами/выходами потребует шину питания с низким импедансом на очень высоких частотах, несмотря на то, что оно получает питание от шины постоянного тока. Стабильность питания в различных частотных диапазонах будет определять, какой тип фильтрации подходит.

В таблице ниже приведены некоторые примеры, где могут быть использованы различные типы фильтрации.

Теперь давайте рассмотрим некоторые примеры в различных частотных диапазонах.

Компоненты постоянного тока

Когда компоненту требуется только постоянный ток, то есть нет коммутационных действий или потребления переменного тока на шину питания, то подходит фильтрация нижних частот, включая фильтры нижних частот высших порядков. Это может быть реализовано с использованием одного из следующих компонентов или схем:

• Фильтр нижних частот на LC-цепочке
• Фильтр нижних частот на RC-цепочке
• Ферритовый дроссель
• Большие конденсаторы
• Активный фильтр постоянного тока на операционном усилителе

Эти компоненты или схемы обеспечивают низкое или умеренное сопротивление на частотах около постоянного тока, в то время как на более высоких частотах они обеспечивают высокое сопротивление. С ферритовым дросселем, фильтром нижних частот на RC-цепочке, конденсаторами или активным фильтром постоянного тока, характеристика будет первого порядка без полюса в передаточной функции. В LC-фильтре схема должна иметь достаточное демпфирование, чтобы любой полюс в передаточной функции не соответствовал недостаточно затухающему переходному процессу.

Низкие частоты выше постоянного тока

На этих частотах питание обычно подается на некоторые специализированные аналоговые датчики, что означает, что плата, скорее всего, является системой смешанных сигналов. В этих диапазонах лучшим вариантом обычно является фильтр на LC- или RC-цепочке, хотя также может быть использован активный фильтр.

Питание на этих частотах необходимо подавать до некоторого края полосы. Здесь вы должны установить границу среза для фильтра нижних частот. Для RC-фильтра это очень просто и основано на временной константе. Для LC-фильтра вам все равно нужно будет убедиться, что передаточная функция не имеет полюса, который соответствовал бы недостаточно затухающим колебаниям.

Высокие частоты и цифровые ИС

Здесь необходимо применять лучшие практики обеспечения энергетической целостности. Сеть распределения питания должна иметь низкое сопротивление до достаточно высоких частот, достигающих мегагерцового диапазона. Типичное руководство по размещению объемных, развязывающих и обходных конденсаторов является простым способом удовлетворить это требование на цифровых микросхемах с единственным источником питания ввода-вывода.

В цифровых процессорах может быть несколько источников питания ввода-вывода на разных уровнях напряжения, которые должны обеспечивать питание устройств с быстрыми скоростями переключения. Вот почему большие процессоры часто требуют большого количества конденсаторов, и, как правило, больше вводов-выводов требует большей емкости. Эти источники питания могут сосуществовать с аналоговыми или медленными цифровыми источниками питания, которые все еще могут работать с меньшей полосой пропускания. Тогда возникает вопрос:

• Следует ли использовать одну шину для нескольких выводов питания на одном и том же напряжении?
  • Если да, как изолировать эти соединения друг от друга?
  • Если нет, как следует проектировать различные секции сети распределения питания?

Альтернативный подход с использованием регуляторов для изоляции питания от единой шины показан ниже.

Так какой из этих подходов следует использовать? Иногда это не такой уж и простой вопрос. Существует простой метод для оценки необходимого объема емкости для одной линии питания, который я рассмотрю в другой статье. Но в этих случаях может быть сложно разместить все эти конденсаторы на одной линии и ожидать, что шум останется низким. Вот почему в некоторых системах компоненты с несколькими источниками питания имеют свои регуляторы и свою емкость, поскольку это обеспечивает изоляцию между линиями.

Пример для разработческой платы FPGA показан ниже. Эта топология питания использует несколько регуляторов для обеспечения чистого питания различных групп контактов в FPGA. Для этого есть несколько причин. Во-первых, разные линии требуют разных токов с разными скоростями нарастания, поэтому легко спроектировать отдельные линии с использованием разных регуляторов. Во-вторых, более медленные линии могут быть чувствительны к шуму, поэтому использование нескольких регуляторов обеспечивает естественную изоляцию.

Заключительные мысли

Подводя итог, применение фильтрации к шумящей линии питания для создания одной или нескольких чистых линий требует понимания частоты, на которой должны работать нагрузки. Если дизайн должен поддерживать набор цифровых ИС, требующих чистого питания на очень высоких частотах, то не следует использовать компонент, создающий высокое сопротивление на этой линии.

Независимо от того, какую топологию питания или схему фильтрации вам нужно спроектировать, вы можете создавать схемы и проектировать печатные платы с лучшими в отрасли функциями электронного дизайна в Altium Designer®. Для реализации совместной работы в современной междисциплинарной среде инновационные компании используют платформу Altium 365™ для легкого обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 сегодня.