Hałas zasilacza

Co to jest dobry porządny szum zasilania?

Pozwólcie, że rozwinę się, dwa przypadki, mam zasilacz stołowy, włożyłem lunetę w złącze prądu zmiennego i popatrzyłem na tętnienie około 20mV. Czy to dobra liczba dla porządnego zasilacza? (Zajmuję się układami ANalog, więc szum 20mV to wielka sprawa)

Drugi przypadek to mój automat na pokładzie, mam wzmacniacz, który pobiera 2 V do 5 V. Patrzę na 5 V bez żadnego obciążenia i widzę tętnienie 7 mV (piła). Czy to normalne? Mam tam wszystkie czapki odsprzęgające, więc spodziewałbym się znacznie mniej, szczególnie bez przyzwoitego obciążenia.

Dodatkowe pytanie, jaki jest najlepszy sposób pomiaru szumu zasilania? Wydaje mi się, że szczególnie przy tak małych prądach, jak to, musi być coś więcej niż dotykanie sondą?

Oczywiście nie ma jednej odpowiedzi na pytanie, czym jest „przyzwoity” szum zasilania. To tak, jakby zapytać, czym jest porządny samochód, nie mówiąc nam, czy chodzi o jazdę po torze wyścigowym, czy o wiejskie drogi gruntowe.

To, czy podane przez ciebie wartości są przyzwoite, zależy od tego, w jaki sposób zostanie użyta szyna zasilająca. To, o co naprawdę pytasz, dotyczy tylko tego, czy zasilacz wydaje się rozsądny, czy nie. 20 mV dla standardowego zasilacza stołowego brzmi dla mnie całkiem rozsądnie, podobnie jak 7 mV dla wbudowanego konwertera podwyższającego (w rzeczywistości jest to całkiem dobre w porównaniu do wielu z nich).

Twój obwód może mieć jednak inne zdanie. Jeśli zasilanie 5 V zasila jedynie obwody cyfrowe, to jest o wiele czystsze, niż trzeba. Dopuszczalne byłoby nawet tętnienie 100mVpp.

Jeśli zasilasz czułe obwody analogowe, wtedy 7 mV może być duże. W takim przypadku ważna jest również zawartość częstotliwości tętnienia. Większość analogowych układów scalonych ma specyfikację odrzucania zasilania. W układzie scalonym znajduje się aktywna elektronika, dzięki czemu jego działanie jest nieco niezależne od napięcia zasilania. Jednak elektronika ta może reagować na hałas tylko do pewnej częstotliwości. Wymagania częstotliwości, aby uzyskać określony współczynnik odrzucenia zasilacza, są rzadko określane. Dobrą praktyką jest umieszczenie ferrytowego koralika lub induktora małego chipu, a następnie ceramicznej nakładki na ziemi na przewodach zasilających części analogowych. To tłumi wysokie częstotliwości hałasu, przy czym pozostałe niskie częstotliwości mają nadzieję w zakresie, w jakim część może aktywnie obsługiwać i odrzucać.

Niektóre części są na to bardziej podatne niż inne. Kiedy pierwszy raz użyłem jednego z wieloosiowych akcelerometrów Freescale, na wyjściu było dużo hałasu. Wydawało się, że szum zasilacza został wzmocniony na wyjściu. Dodanie wyżej wspomnianego induktora układu szeregowo z nasadką do uziemienia na przewodzie zasilającym bardzo pomogło w oczyszczeniu sygnału wyjściowego.

Aby odpowiedzieć na twoje ostatnie pytanie, normalny sposób patrzenia na szum zasilacza to dokładnie to, co zrobiłeś. AC sprzężą wejście lunety, zwiększają wzmocnienie i patrzą na rozmiar powstałego bałaganu.

Wcześniej projektowałem zasilacz o bardzo niskim poborze mocy, więc pozwólcie mi udostępnić wykres, który wykonałem dla prezentacji, w której nakreśliłem różnicę poziomów hałasu różnych zasilaczy. Wykres pokazuje logarytmiczny poziom hałasu w funkcji częstotliwości od prądu stałego do 50 kHz. Nie pamiętam, w jaki sposób skala na osi Y jest przesunięta, ale ogólną treść można uzyskać z opisu:

• Czerwona krzywa: reprezentujący typowy zasilacz cyfrowy 3,3 V (w użyciu), pamiętam, że był w zakresie szumów 10 mV
• Fioletowa krzywa: typowa brodawka ścienna plus cichy LDO 5,6 V.
• Niebieska krzywa: powyżej plus kolejny regulator 5 V.
• Czarna krzywa: mój projekt zasilacza, który miał około 1-3 uV hałasu

W związku z tym, w zależności od stopnia filtrowania i konstrukcji, hałas zasilacza może różnić się o 4 rzędy wielkości! twoje 20 mV z zasilacza stołowego jest całkiem dobre i standardowe, jak sądzę (patrz zastrzeżenie poniżej dotyczące szumu sondy oscyloskopowej).

Nawiasem mówiąc, normalne oscyloskopy są prawie bezwartościowe dla każdej pracy poniżej 10 mV. Chcesz także spojrzeć na transformatę Fouriera (zawartość spektralna) szumu, aby wyciągnąć użyteczne wnioski. Oczywiście, jeśli widzisz coś prostego, na przykład dużą falę lub niestabilność, jest to dobry początek, ale często hałas nie jest tak oczywisty.

Dedykowane analizatory widma są na dobrej drodze, ale zwykle są przeznaczone do użytku w częstotliwościach radiowych i przechodzą od czegoś takiego jak 100 kHz do 5 GHz - niezbyt interesujące, jeśli debugujesz na przykład analogowy wzmacniacz audio. Niektóre starsze modele używają prądu stałego do 100 kHz.

Musisz także połączyć punkt pomiarowy z przyrządem za pomocą czegoś innego niż (normalna) sonda oscyloskopowa. Z łatwością dodajesz dziesiątki mV szumów tylko przez pętlę uziemienia z sondy. Można stosować sondy ze zintegrowanym przewodem uziemiającym, ale najlepsze jest dedykowane złącze koncentryczne i kabel z płytki drukowanej.

Większość zasilaczy przełączających, które brałem udział w projektowaniu, określa 1% znamionowej mocy wyjściowej prądu stałego jako maksymalne tętnienie szczytowe; 50 mV na szynę 5 V, 120 mV na szynę 12 V itp.

Zasilacze liniowe wydają się być znacznie mniej głośne, ponieważ na wyjściu nie ma elementu tętnienia przełączającego HF.

Często zdarza się, że szyna zasilająca ma wiele stopni filtru LC lub zasila liniowy stopień regulatora, jeśli potrzebne są bardzo niskie tętnienia.

Pomiar tętnienia jest formą samą w sobie. Musisz podjąć środki, aby nie wychwytywać szumów w trybie wspólnym. Często oscyloskop używany do pomiaru jest ustawiony na zmniejszoną szerokość pasma (powszechne jest 20 MHz), a kondensatory są używane do pozbycia się „obcego” HF (utrzymywanie widocznych tętnień przełączania i częstotliwości linii) - 100nF równolegle z 10uF nie jest niespotykane. Czasami$50\Omega$ rezystor służy jako obciążenie (wraz z kondensatorami), a połączenie z lunetą wykonuje się ekranowanym kablem koncentrycznym.

Te wyglądają jak normalne poziomy szumów na linii zasilającej, ale to nie znaczy, że masz tyle szumu na sygnale analogowym. Współczynnik odrzucenia zasilacza PSRR jest współczynnikiem, który opisuje, ile szumu zasilacza nakłada się na sygnał, na przykład w karcie danych opamp.

Arkusze danych dla dwóch zasilaczy stołowych, których używam, określają tętnienia napięcia 15-30 mVpp w zakresie 20 Hz - 20 MHz.

Wszystko powyżej 100 kHz-1 MHz jest odcinane przez dekapsy.

Aby odciąć poniżej 100 kHz:
1) liniowy regulator na chipie
2) można zastosować dławik ferrytowy (wraz z kondensatorami do uziemienia) między źródłem zasilania a odbiornikiem energii
.

Kiedy po raz pierwszy zorientowałem się, że występuje tak „duża” fluktuacja zasilania (około 10-20 mV), przestraszyłem się. Jednak po umieszczeniu szumu przejściowego w moim CAD 100 szumy były prawie płaską linią (zwykle wykonuję symulacje dla jednostek mikrosekund, podczas gdy T = 1/100 kHz = 10 us). Wynika to z faktu, że często cyfrowe i analogowe urządzenia elektroniczne pracują z częstotliwościami Mega i Giga Hz.

Zależy to jednak od zastosowania i częstotliwości roboczej testowanego urządzenia.

PS: aby na pewno powiedzieć, czy wpływa na urządzenie, czy nie, włóż przejściowy hałas VDD do symulatora i sprawdź, czy wpływa on na wyniki, czy nie.