Cách Lọc Đường Ray Nguồn Ồn

Mặc dù nguồn cung cấp điện có vẻ như sản xuất ra điện năng sạch khi quan sát trên máy hiện sóng, nhưng khi hoạt động trong một hệ thống thực tế, nguồn cung cấp có thể tạo ra tiếng ồn hoặc bị ảnh hưởng bởi tiếng ồn. Các đường ray nguồn thường cần cung cấp điện cho nhiều thiết bị trong một hệ thống ở cùng một điện áp, nhưng với nguồn điện sạch ở các phần khác nhau của hệ thống. Khi đó, tiếng ồn trên đường ray chính có thể cần được làm sạch trước khi cung cấp cho các phần khác nhau của hệ thống của bạn.

Tùy thuộc vào phạm vi tần số mà các thành phần hoạt động, việc này có thể được thực hiện với các mạch lọc đơn giản, dung lượng bổ sung, và trong các trường hợp cụ thể một hạt ferrite là phù hợp. Vì vậy, trong blog này, tôi sẽ trình bày một số trường hợp mà các loại mạch lọc khác nhau có thể được sử dụng trên một đường ray nguồn để lọc nguồn điện đến thiết bị mục tiêu. Đôi khi, trường hợp tốt nhất là tách một đường ray thành các đường ray khác nhau với nhiều bộ điều chỉnh, trong khi ở các trường hợp khác một đường ray duy nhất có thể được rút ra và lọc để cung cấp nguồn điện sạch cho các thiết bị khác nhau.

Nơi Áp Dụng Lọc để Có Nguồn Điện Sạch

Chúng ta có thể hình dung nơi áp dụng lọc để đảm bảo nguồn điện sạch đến các thiết bị khác nhau bằng cách nhìn vào một cây nguồn. Hình ảnh dưới đây cho thấy một ví dụ về cây nguồn dưới dạng sơ đồ khối với việc áp dụng lọc ở các phần khác nhau của cây nguồn. Hình ảnh này giả định rằng đường ray cung cấp một điện áp DC, và có nhiều thiết bị rút điện từ mỗi đường ray.

Ngữ cảnh quan trọng ở đây là vấn đề về tần số. Các thiết bị yêu cầu nguồn điện ở các phạm vi tần số khác nhau sẽ có thể làm việc với các loại lọc khác nhau. Ví dụ, lọc thông thấp với cắt thấp sẽ phù hợp cho một thiết bị chỉ hoạt động trong DC. Ngược lại, một thiết bị kỹ thuật số với I/O rất nhanh sẽ cần một đường ray nguồn với trở kháng thấp đến tần số rất cao, mặc dù thực tế nó đang rút nguồn điện từ một đường ray DC. Sự ổn định của nguồn điện ở các phạm vi tần số khác nhau sẽ quyết định loại lọc nào là phù hợp.

Bảng dưới đây trình bày một số ví dụ về nơi có thể sử dụng các loại lọc khác nhau.

Giờ hãy xem xét một số ví dụ trong các phạm vi tần số khác nhau.

Thành Phần DC

Khi một linh kiện chỉ cần nguồn điện một chiều (DC), có nghĩa là không có hoạt động chuyển mạch hay dòng điện xoay chiều (AC) được rút vào đường ray nguồn, thì việc lọc tần số thấp là phù hợp, bao gồm cả lọc tần số thấp cấp cao hơn. Điều này có thể được áp dụng với một trong số các linh kiện hoặc mạch sau:

• Bộ lọc LC tần số thấp
• Bộ lọc RC tần số thấp
• Hạt Ferrite
• Tụ điện lớn
• Bộ lọc DC chủ động với op amp

Những linh kiện hoặc mạch này cung cấp trở kháng thấp hoặc trung bình tại hoặc gần DC, trong khi chúng cung cấp trở kháng cao ở tần số cao hơn. Với hạt Ferrite, bộ lọc RC tần số thấp, tụ điện, hoặc bộ lọc DC chủ động, phản ứng sẽ là cấp đầu tiên mà không có cực trong hàm chuyển đổi. Trong một bộ lọc LC, mạch cần phải có đủ sự giảm xóc để bất kỳ cực nào trong hàm chuyển đổi không tương ứng với dao động quá mức giảm xóc.

Tần số Thấp Hơn DC

Tại những tần số này, nguồn điện thường được cung cấp cho một số cảm biến tương tự đặc biệt, có nghĩa là bo mạch rất có thể là một hệ thống tín hiệu hỗn hợp. Trong những phạm vi này, lựa chọn tốt nhất thường là bộ lọc LC hoặc RC, mặc dù bộ lọc chủ động cũng có thể được sử dụng.

Nguồn điện tại những tần số này cần được cung cấp đến một số cạnh băng tần. Đây là nơi bạn nên thiết lập giới hạn cắt cho bộ lọc tần số thấp. Đối với bộ lọc RC, điều này rất đơn giản và dựa trên hằng số thời gian. Đối với bộ lọc LC, bạn vẫn cần đảm bảo rằng hàm chuyển đổi không có cực nào tương ứng với dao động quá mức giảm xóc.

Tần Số Cao và IC Số

Đây là nơi cần áp dụng các phương pháp hay nhất cho tính toàn vẹn nguồn. PDN cần có trở kháng thấp lên đến tần số rất cao, đạt vào phạm vi megahertz. Hướng dẫn điển hình về việc đặt tụ điện bù, giảm nhiễu, và tụ điện né tránh là một cách đơn giản để đáp ứng yêu cầu này trên các Asic số chỉ với một nguồn cung cấp IO duy nhất.

Trong các bộ xử lý số, có thể có nhiều nguồn cung cấp I/O ở các mức điện áp khác nhau cần cung cấp Nguồn cho các videos với tốc độ cạnh nhanh. Đây là lý do tại sao các bộ xử lý lớn thường cần một số lượng lớn tụ điện, và nhiều I/O nói chung yêu cầu nhiều dung lượng hơn. Những nguồn cung cấp này có thể tồn tại cùng với các nguồn cung cấp tương tự hoặc số chậm có thể vẫn hoạt động với băng thông thấp hơn. Câu hỏi sau đó trở thành:

• Bạn có nên sử dụng một đường ray duy nhất cho nhiều chân cung cấp ở cùng một mức điện áp không?
  • Nếu có, bạn sẽ cách ly những kết nối này với nhau như thế nào?
  • Nếu không, bạn nên thiết kế các phần PDN khác nhau như thế nào?

Phương pháp thay thế với các bộ điều chỉnh cách ly nguồn từ một đường ray duy nhất được hiển thị bên dưới.

Vậy bạn nên sử dụng phương pháp nào? Đôi khi đây không phải là câu hỏi dễ trả lời. Có một phương pháp đơn giản để ước lượng lượng tụ điện mà một đường ray đơn cần, mà tôi sẽ trình bày trong một bài viết khác. Nhưng trong những trường hợp đó, có thể khó để lắp đặt tất cả những tụ điện đó trên một đường ray đơn và mong đợi tiếng ồn giữ ở mức thấp. Đó là lý do tại sao trong một số hệ thống, các thành phần với nhiều nguồn cung cấp sẽ có các bộ điều chỉnh riêng và tụ điện riêng của chúng, điều này sẽ cung cấp sự cách ly giữa các đường ray.

Một ví dụ cho một bảng phát triển FPGA được hiển thị dưới đây. Topology nguồn này sử dụng nhiều bộ điều chỉnh để cung cấp nguồn sạch cho các nhóm chân khác nhau trong FPGA. Có một vài lý do cho điều này. Đầu tiên, các đường ray khác nhau cần dòng điện khác nhau tại các tốc độ cạnh khác nhau, vì vậy việc thiết kế với các đường ray riêng biệt sử dụng các bộ điều chỉnh khác nhau là dễ dàng. Thứ hai, các đường ray chậm hơn có thể nhạy cảm với tiếng ồn, vì vậy việc sử dụng nhiều bộ điều chỉnh cung cấp sự cách ly tự nhiên.

Suy nghĩ cuối cùng

Tóm lại, việc áp dụng bộ lọc cho một đường ray nguồn ồn ào để tạo ra một hoặc nhiều đường ray sạch đòi hỏi phải hiểu về tần số mà tải phải hoạt động. Nếu thiết kế cần hỗ trợ một tập hợp các ICS số yêu cầu nguồn sạch lên đến các tần số rất cao, thì bạn không nên sử dụng thành phần tạo ra trở kháng cao dọc theo đường ray đó.

Không quan trọng bạn cần thiết kế topology nguồn hay mạch lọc kiểu gì, bạn có thể tạo ra mạch và thiết kế PCB với các tính năng thiết kế điện tử tốt nhất trong ngành với Altium Designer®. Để thực hiện sự hợp tác trong môi trường đa ngành nghề ngày nay, các công ty đổi mới đang sử dụng nền tảng Altium 365™ để dễ dàng chia sẻ dữ liệu thiết kế và đưa dự án vào sản xuất.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.