如何滤除噪声电源轨

尽管电源在示波器上看起来可能产生干净的电力，但在实际系统中的电源操作可能会产生噪声或对噪声敏感。电源轨道通常需要为系统中的多个设备提供相同电压的电力，但在系统的不同部分需要干净的电力。当出现这种情况时，可能需要在将主轨道上的噪声提供给系统的不同部分之前进行清理。

根据组件操作的频率范围，这可以通过简单的滤波电路、额外的电容，以及在特定情况下使用铁氧体磁珠来完成。因此，在这篇博客中，我将概述在电源轨道上使用不同类型的滤波电路来滤除进入目标设备的电力的一些情况。有时，最好的情况是将一个轨道分成多个轨道，使用多个调节器，而在其他情况下，可以从单个轨道提取并滤波，以向不同的设备提供干净的电力。

在哪里应用滤波以获得干净的电力

我们可以通过查看电源树来可视化在哪里应用滤波以确保干净的电力到达不同的设备。下面的图片显示了一个电源树的示例块图，其中在电源树的不同部分应用了滤波。这张图片假设轨道提供直流电压，并且有几个设备从每个轨道上拉电。

这里的重要背景是频率问题。不同设备在不同频率范围内需要电力，将能够使用不同类型的滤波。例如，对于仅在直流下操作的设备，低通滤波与低截止频率将是合适的。相比之下，具有非常快速I/O的数字设备将需要一个到非常高频率都具有低阻抗的电源轨道，尽管它是从直流轨道上拉电。不同频率范围内的电力稳定性将决定哪种类型的滤波是合适的。

下表概述了可以使用不同类型滤波的一些示例。

现在让我们来看看不同频率范围内的一些示例。

直流组件

当一个组件只需要直流电源，意味着电源轨上没有切换动作或交流电流时，低通滤波是适当的，包括高阶低通滤波。这可以通过以下组件或电路之一实现：

• 低通LC滤波器
• 低通RC滤波器
• 铁氧体珠
• 大电容
• 带有运算放大器的主动直流滤波器

这些组件或电路在直流或接近直流时提供低或中等阻抗，而在更高频率时提供高阻抗。使用铁氧体珠、低通RC滤波器、电容或主动直流滤波器时，响应将是一阶的，传递函数中没有极点。在LC滤波器中，电路需要有足够的阻尼，以便传递函数中的任何极点不对应于欠阻尼瞬态。

直流以上的低频

在这些频率下，通常为一些特殊的模拟传感器提供电力，这意味着电路板最有可能是混合信号系统。在这些范围内，最佳选项通常是LC或RC滤波器，尽管也可以使用主动滤波器。

这些频率下的电力需要提供到某个带边。这是您应该为低通滤波器设置截止频率的地方。对于RC滤波器，这非常简单，基于时间常数。对于LC滤波器，您仍然需要确保传递函数没有对应于欠阻尼振荡的极点。

高频和数字IC

这是需要应用电源完整性最佳实践的地方。PDN需要在达到兆赫范围的高频率下保持低阻抗。放置大容量、去耦和旁路电容是满足只有一个IO供电的数字ASICs此要求的简单方法。

在数字处理器中，可能有多个不同电压级别的I/O供电，需要为具有快速边沿速率的设备提供电力。这就是为什么大型处理器通常需要大量电容，而更多的I/O通常需要更多电容。这些供电可以与模拟或低速数字供电并存，后者仍然可以使用较低的带宽工作。然后问题变成：

• 是否应该为同一电压的多个供电引脚使用单一电源轨？
  • 如果是，如何隔离这些连接彼此？
  • 如果不是，应该如何设计不同的PDN部分？

下面展示了使用调节器从单一电源轨隔离电力的替代方法。

那么，你应该使用这些方法中的哪一种呢？有时这并不是一个容易回答的问题。有一种简单的方法可以估算单个轨道需要的电容量，我将在另一篇文章中讨论。但在这些情况下，将所有这些电容器安装在单个轨道上并期望噪声保持低可能会很困难。这就是为什么在某些系统中，具有多个供电的组件将拥有自己的调节器和自己的电容，因为这将提供轨道之间的隔离。

下面展示了一个FPGA开发板的例子。这种电源拓扑使用多个调节器来为FPGA中不同的引脚组提供干净的电源。这样做有几个原因。首先，不同的轨道在不同的边缘速率下需要不同的电流，因此使用不同的调节器设计不同的轨道很容易。其次，较慢的轨道可能对噪声敏感，因此使用多个调节器提供自然隔离。

最后的想法

总结一下，为了创建一个或多个干净的轨道，对噪声电源轨进行滤波需要了解负载必须操作的频率。如果设计需要支持一组需要在非常高频率下获得干净电源的数字IC，那么你不应该使用在该轨道上创建高阻抗的组件。

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