磁珠真的能起到電源噪聲抑制作用么？

當(dāng)今 PCB 設(shè)計(jì)人員面臨的許多問題都與電源噪聲有關(guān)。有可用于解決簡(jiǎn)單問題的指南，但對(duì)于更復(fù)雜的問題，理解和考慮有助于提供最佳和干凈的解決方案的所有參數(shù)至關(guān)重要。

本技術(shù)簡(jiǎn)介描述了 IDT 用于分析其設(shè)備的電源噪聲抑制 (PSNR) 的程序。PSNR 衡量電路抑制耦合到電源的各種頻率噪聲的能力。在高速模擬和數(shù)字電路中，電源引腳容易受到隨機(jī)噪聲的影響。此外，大多數(shù)設(shè)計(jì)使用線性穩(wěn)壓器或開關(guān)穩(wěn)壓器作為 IC 的電源。線性穩(wěn)壓器幾乎總是從開關(guān) DC/DC 轉(zhuǎn)換器獲得輸入電壓。因此，設(shè)計(jì)中的電源噪聲通常來自電源的開關(guān)噪聲和電路板其他高頻部分的耦合。

電源濾波器的拓?fù)?br />圖 1 是一個(gè)簡(jiǎn)化的 3 元件電源濾波電路，推薦用于電源軌。它由一個(gè)0.1μF電容（C1）、一個(gè)鐵氧體磁珠（FB1）和一個(gè)10μF電容（C2）組成。C1、FB1 和 C2 用于電源軌，而 C3 用于該軌提供的每個(gè)電源引腳。如果電源軌為多個(gè)電源引腳供電，則每個(gè)電源引腳都將有一個(gè) 0.1μF 的電容器用于去耦。

圖 1. 電源濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

上面的鐵氧體磁珠是任何表面貼裝磁珠，對(duì)所提供的電路具有足夠的額定電流。

噪聲濾波電路的頻率響應(yīng)

可以通過研究其頻率響應(yīng)來了解圖 1 所示電路所展示的衰減能力。在本技術(shù)簡(jiǎn)介的以下部分中，分別通過掃描 C1、C2 和 C3 繪制了電路的頻率響應(yīng)：

圖 2：掃描 C1，同時(shí)保持 C2 = 10μF，C3 = 0.1μF – C1 的最佳值為 0.1μF
圖 3：掃描 C2，同時(shí)保持 C1 = 0.1μF，C3 = 0.1μF – C2 的最佳值為 10μF
圖 4：掃描C3，同時(shí)保持 C1 = 0.1μF，C2 = 10μF – C3 的最佳值為 0.1μF

圖 2. 掃描 C1，同時(shí)保持 C2 = 10μF，C3 = 0.1μF

圖 3. 掃描 C2，同時(shí)保持 C1 = 0.1μF，C3 = 0.1μF

圖 4. 掃描 C3，同時(shí)保持 C1 = 0.1μF，C2 = 10μF

測(cè)量電源噪聲抑制

PSNR 是通過將已知振幅和頻率的正弦信號(hào)注入被測(cè)設(shè)備 (DUT) 的各種電源引腳來測(cè)量的。IDT 時(shí)序產(chǎn)品組合中的許多器件都包含多個(gè)電源引腳。感興趣的兩個(gè)引腳是核心電源引腳和模擬電源引腳。內(nèi)核電源引腳主要為所有 PLL 外設(shè)提供電壓，而模擬電源引腳為 PLL 提供電壓。應(yīng)獨(dú)立分析每個(gè)電源引腳，一次應(yīng)將噪聲應(yīng)用于一個(gè)電源引腳。 2

用于將注入頻率應(yīng)用到設(shè)備電源的技術(shù)使用電感器，該電感器會(huì)向電源提供高交流阻抗。然后，來自發(fā)生器的信號(hào)通過如圖 5 所示配置的電容器注入。應(yīng)使用示波器和頻譜分析儀監(jiān)控輸入和輸出。示波器用于監(jiān)測(cè)信號(hào)幅度，而頻譜分析儀用于測(cè)量確定性抖動(dòng)。

圖 5. 用于測(cè)量 PSNR 的配置

為了分析器件的性能，最初移除了所有外部旁路和去耦電容器。一個(gè) 50mV 信號(hào)從起始頻率掃描到終止頻率。在這種情況下，使用 1 kHz 至 50 MHz 的掃描范圍，涵蓋了典型應(yīng)用中的大部分噪聲頻率。表 1 總結(jié)了配置參數(shù)。

圖 6 顯示了三個(gè) PSNR 測(cè)試的結(jié)果。首先，在沒有任何去耦或旁路電容器的情況下對(duì)器件進(jìn)行掃描。請(qǐng)注意，確定性抖動(dòng)在大約 400 kHz 處達(dá)到峰值。接下來，添加了一個(gè) 0.1μf 的旁路電容器，噪聲顯著降低。最后，除了 0.1μf 外，還添加了一個(gè) 10μf 的電容器，大部分噪聲都被濾除。

圖 6. 確定性抖動(dòng)與噪聲頻率

圖 7. 噪聲抑制比較：僅 0.1μF 電容器與圖 1 的濾波電路

如這些測(cè)量結(jié)果所示，0.1μf 和 10μf 電容器的組合將衰減開關(guān)電源產(chǎn)生的大部分噪聲。添加鐵氧體磁珠將進(jìn)一步衰減 100kHz 至 600kHz 范圍內(nèi)的噪聲，推薦使用。圖 7 比較了僅 0.1μf 的濾波器和包含圖 1 中所示所有元件（包括鐵氧體磁珠）的濾波器。

結(jié)論
本技術(shù)簡(jiǎn)介說明了由兩個(gè)電容器和一個(gè)鐵氧體磁珠組成的簡(jiǎn)單電源噪聲抑制拓?fù)涞挠行浴Ｍㄟ^掃描電容器的值，圖 1 中提供了具有推薦元件值的噪聲濾波電路。濾波器性能專為各種噪聲頻率而設(shè)計(jì)。這個(gè)低通濾波器開始衰減大約 10kHz 的噪聲。如果已知特定的頻率噪聲分量，例如開關(guān)電源頻率，建議調(diào)整元件值，如果需要，添加額外的濾波以解決這些特定的噪聲分量。此外，電源平面電壓穩(wěn)定性的良好通用設(shè)計(jì)實(shí)踐建議在所有設(shè)備的局部區(qū)域添加大容量電容。