Eliminar el ruido de alta velocidad de la fuente de alimentación

¿Alguien podría ayudarme un poco a solucionar esto?

Implementé el siguiente esquema en una PCB para el desacoplamiento de un riel de suministro de un conmutador Ethernet.

Esquemático

Más específicamente, es el suministro IO de la interfaz SSMII. Esta implementación es también la que propone el fabricante. Los 3,3 V provienen de un convertidor CC-CC reductor.

Me he dado cuenta de que la fuente de alimentación después de la L (por lo tanto, el lado del IC) no está muy limpia. Cuando medí con el osciloscopio en el pin 1 de L462, tuve la siguiente forma de onda

Medida de la alimentación filtrada de 3,3V

La frecuencia medida por el osciloscopio no siempre es la misma. Varía un poco entre 25MHz y 60MHz. Aunque esto era cierto antes de hacer los siguientes cambios (la medida se tomó con Estos)

  • Sustituya uno de 10nF y otro de 100nF por dos condensadores de 330pF
  • Agregue un condensador adicional de 4,7 uF (todo cerámico) en el pin L462.1.

Por otro lado, el lado L462.2, todo parece más silencioso.

¿Qué puedo hacer adicionalmente para tener una fuente de alimentación más limpia? ¿Usar un condensador adicional? ¿Reemplazar con otro valor? Normalmente, a estas frecuencias, los 100 nF y 10 nF son efectivos, ¿no?

Aquí también el diseño. El riel de suministro después del talón (el componente relativamente grande en la parte superior izquierda) está coloreado con amarillo. Todos ellos están conectados a través de un pequeño plano en una capa interna. Probablemente no sea ideal que muchos capacitores compartan la misma vía, pero en esta área ya no hay bolas GND. También, probablemente, los condensadores de color verde claro deberían girarse horizontalmente y conectarse a las dos vías GND en el lado derecho de la imagen.

Disposición

Entonces, tomé algunas medidas nuevas utilizando la técnica de soldar un cable coaxial directamente en un capacitor y los resultados se pueden ver en las formas de onda a continuación.

Primero en L462.1:

Medida de los 3,3V filtrados con un cable coaxial

y segundo en el pin L462.2:

Medición de los 3.3V en el pin L462.2 con un cable coaxial

Es decir, aparte de la frecuencia (aquí detecté más claramente los 31,25 MHz, que es la mitad de los 62,5 MHz con los que funcionan las señales de datos de este Interface), sigue siendo claro que las perturbaciones están ahí y que se filtran lejos del suministro de la placa principal con la perla de ferrita.

Luego, por último, sustituí la perla de ferrita con una resistencia de 0 ohmios:

Medición de 3,3 V sin filtrar con una resistencia de 0 ohmios en lugar de la perla

Creo que está claro que las perturbaciones vienen del IC y que sin el filtrado la situación sería peor.

Entonces, la pregunta sigue siendo, ¿cómo hacer que la fuente de alimentación sea más silenciosa?

¿Como lo mides? ¿Cuál es la configuración de su sonda? ¿Cómo es el diseño de PCB? ¿Tiene algo funcionando a 25-60 MHz? Además, ¿hay algún condensador detrás del inductor?
Esa marca de 120 ohmios 100 MHz es inusual para un inductor, por lo general, un inductor se mediría en henrios (mili o micro). Los ohmios a una frecuencia suenan más como una perla de ferrita. Por lo general, tienen una inductancia de buen comportamiento de hasta 1 MHz aproximadamente, y luego pierden, que es lo que se requiere para una buena atenuación de EMI. Pero pueden tener menos inductancia de lo que esperas.
@Neil_UK Esta es de hecho una perla de ferrita y no un inductor
@winny La configuración de mi sonda no es la mejor posible (utilizo una sonda normal con un bucle GND relativamente largo). Pero comparando con las medidas que tomé de otras fuentes de alimentación con la misma configuración, esta fuente es mucho peor. Como dije antes la perla de ferrita se ve mucho mejor. Detrás de la cuenta tengo 10uF (y 100nF) pero están lejos, justo a la salida del convertidor. En cuanto a las frecuencias, esta interfaz funciona con relojes de 125MHz. Los datos están sincronizados con este reloj, presumiblemente tanto en los bordes de subida como de bajada (eso también da frecuencias de 62,5 MHz). Para el diseño, actualizaré la publicación anterior.
La fuente del ruido es el convertidor DC-DC. ¿Por qué no abordar el problema allí, en lugar de intentar solucionarlo después?
Esa L en tu circuito puede ayudar o empeorar tu situación dependiendo de varias cosas. ¿Puede hacer una prueba simple y cortocircuitar el inductor con una resistencia de cero ohmios? ¿Puede encontrar acceso a un plano GND a través de una vía o similar y soldar un conector BNC directamente a la placa o conectarlo a tierra (como este: electronics.stackexchange.com/questions/136123/… ) y medir sus 3.3 V allí?
@winny sí, claro que puedo. Pero, en teoría, la L está ahí para aislar ambos lados entre sí, ¿no? Si lo elimino, este ruido del lado de la CPU se inducirá al resto del circuito. Y soy muy consciente de esta técnica para las mediciones que mencionas. Intentaré aplicarlo aquí también.
Sí, pero también puede excitar la frecuencia resonante formada por L y C. Mi principal preocupación es que este "aislamiento" aumenta la ESR/impedancia efectiva de su banco de condensadores total. Si tiene suficiente en ambos lados para desacoplar, entonces no hay problema. La mayoría de los diseños se benefician de una impedancia tan baja como sea posible para todo el desacoplamiento disponible, pero hay excepciones. Mide y tendrás la respuesta.
@winny: Como puede ver, actualicé la publicación con las nuevas medidas. Creo que está comprobado que efectivamente se necesita la L y que mis primeras medidas fueron más o menos correctas...
¡Excelente! Vaya al comentario de Michael Karas a continuación, pero también intente aumentar la inductancia y / o incluso más desacoplamiento con una ESR más baja. Si su consumo de corriente es realmente bajo, también tiene la opción de usar una resistencia en serie en lugar de un inductor que realmente amortiguaría eso. Pero nuevamente, solo si el consumo de corriente es lo suficientemente bajo como para dar valores razonablemente altos de R sin caer demasiado el voltaje.
De hecho, el consumo es relativamente bajo, así que supongo que podría probar la solución de resistencia. Pero el ruido proviene de todos modos del IC, por lo que solo ayudaría a proteger mejor el resto de la placa. ¿Puedo preguntarle qué quiere decir con aumentar la inductancia? ¿Cómo puedo lograr eso? ¿Más desacoplamiento con qué valores de condensador? ¿Cómo encuentras qué valor ayuda para esas frecuencias?
Ese inductor es de 0,19 uH si 120 a 100 MHz es cierto, pero puede depender mucho de la frecuencia. Verifique la hoja de datos. Opte por un inductor "real" en lugar de uno estilo perla de ferrita y aumente la inductancia. A baja corriente (verifique su consumo máximo a través de él y elija en consecuencia), debería haber muchas opciones. Además, si la resistencia de 100 ohmios está bien, siempre puede experimentar porque tiene una característica de frecuencia más plana a costa de la caída de voltaje de CC. Reporte sus hallazgos :-)
Además, no hay "valores" que ayuden en esas frecuencias. Cuanto más desacoplamiento, mejor dada la misma o menor ESR (+ESL en esa frecuencia). También verifique si los condensadores de basura como X6S funcionaron cerca de su clasificación de voltaje ya que su capacitancia efectiva cae a casi cero.

Respuestas (2)

Al desacoplar el uso de condensadores paralelos con valores que están separados por décadas es como jugar a la ruleta rusa. Esto se debe a que obtendrá un pico resonante cuando la red con el condensador más grande se haya vuelto inductiva y la red con el condensador más pequeño siga siendo capacitiva. No sé si este es el problema aquí, pero tal vez debería intentar reemplazar todos los condensadores con un valor de 10 o 100n. Hice una simulación rápida de ltspice para ilustrar mi punto. Impedancia con diferentes valores de condensadorEsta es la impedancia con dos capacitores de diferente valor conectados por trazas con inductancias idénticas.

ingrese la descripción de la imagen aquíY esta es la impedancia con valores de condensador idénticos.

Editar: Aquí está el archivo de simulación solicitado en los comentarios:

Version 4 SHEET 1 880 680 WIRE 208 208 -16 208 WIRE 304 208 208 208 WIRE 208 240 208 208 WIRE 304 240 304 208 WIRE -16 336 -16 208 WIRE 208 336 208 304 WIRE 304 336 304 304 WIRE -16 480 -16 416 WIRE 16 480 -16 480 WIRE 208 480 208 416 WIRE 208 480 16 480 WIRE 304 480 304 416 WIRE 304 480 208 480 WIRE 16 544 16 480 FLAG 16 544 0 SYMBOL voltage -16 320 R0 SYMATTR InstName V1 SYMATTR Value "" SYMATTR Value2 AC 1 0 SYMBOL cap 192 240 R0 SYMATTR InstName C1 SYMATTR Value 100n SYMBOL ind 192 320 R0 SYMATTR InstName L1 SYMATTR Value 3.5n SYMBOL cap 288 240 R0 SYMATTR InstName C2 SYMATTR Value 10n SYMBOL ind 288 320 R0 SYMATTR InstName L2 SYMATTR Value 3.5n TEXT 432 256 Left 2 !.ac dec 1000 1 1000000000

La expresión a trazar es: V(n001)/I(V1).

Además, es posible que no haya entendido correctamente cómo conectó los condensadores, pero dado que la inductancia tiene una gran influencia aquí, debe asegurarse de que todas las tapas paralelas no estén conectadas a través de inductancias comunes sino separadas. La motivación es que cuando se conecta en paralelo, la impedancia combinada de la capacitancia aumenta mientras que la impedancia combinada de la inductancia se reduce. Por lo tanto, múltiples capacitores que tienen un flujo de corriente a través de la misma vía son una mala idea para fines de desacoplamiento. Haz lo que puedas para evitar eso.

Esto es interesante. ¿Puedo sugerirle que pegue el archivo LTSpice .ASC y el texto de su fórmula de trazado para que el OP pueda experimentar con los valores típicos de su PCB? Puede ver una calculadora de inductancia de trazas aquí: daycounter.com/Calculators/Microstrip-Inductor-Calculator.phtml Una microcinta de 15 mil de ancho que tiene 200 mil de largo y 20 mil por encima de su plano GND tendrá una inductancia de ~3nH. OP tendrá que decidir si su ejemplo de 15nH es aplicable a su diseño o no.
No hay problema, pero ¿cómo debo incluir el archivo .asc? También tiene razón sobre el hecho de que mi valor para la inductancia fue un poco exagerado, lo cual es una pena, ya que la frecuencia de resonancia es 1/sqrt (LC), por lo que reducir la inductancia la desplazaría hacia la frecuencia problemática aquí, lo que la convierte en una candidata aún más prominente. como solución
@Trafi Simplemente abra el archivo .asc con un editor de texto y copie y pegue el contenido aquí (como código, para evitar envolver).
@Trafi: tal como se dijo anteriormente. El archivo LTSpice .asc es un archivo de texto ordinario. Para el OP o cualquier otra persona interesada en experimentar con esto, pueden simplemente cortar/pegar el texto de esta página web en un archivo con extensión .asc y luego simplemente abrirlo con LTSpice.

La configuración de sondeo y conexión a tierra para mediciones como esta marca la diferencia. De hecho, lo que está viendo en el alcance puede ser bastante diferente de la realidad.

Por lo tanto, al realizar las mediciones, asegúrese de que la punta de la sonda esté justo en el nodo del condensador/perla de ferrita y que la conexión a tierra de la sonda esté justo en el IC/GND del condensador. Los cables de prueba largos pueden captar ruido de otras partes de su sistema. Como mínimo, intente enrollar el cable GND del osciloscopio alrededor del cuerpo de la sonda para que no se exponga como un bucle de antena abierto.

También evalúe su diseño para asegurarse de que las tierras del capacitor que se muestran regresen / se conecten directamente a los pines GND del IC directamente asociados con los pines del riel de alimentación AA13 -> AA18.

Usando la cuidadosa técnica de medición anterior, verifique si el ruido que ve es realmente peor en el lado del chip IC de la perla de ferrita. Si es así, es muy probable que el diseño de la placa de su PC tenga conexiones de tierra y alimentación menos que óptimas al chip IC y los condensadores de derivación asociados. Esperemos que tenga un avión GND completo en el tablero.

Si el ruido resulta ser peor en el lado de 3,3 V de la perla de ferrita, lo más probable es que la fuente del ruido provenga del convertidor CC-CC que produce los 3,3 V. En este caso, puede ser útil agregar una segunda perla de ferrita en serie con la que tiene ahora y luego agregar un capacitor adicional entre ellos a GND. (Esto no será de mucha ayuda, por supuesto, si el sistema GND general en el tablero está comprometido).

La precaución de MichaelKaras sobre los planos de tierra está bien pensada. Esos picos son muy rápidos , así que considere también la inductancia entre cada uno de esos condensadores de derivación en el lado del suministro. Esas inductancias causan múltiples resonancias, especialmente donde los valores de los capacitores son diferentes. El reemplazo físico puede marcar la diferencia aquí.
@glen_geek ¿Tienes entonces alguna propuesta de cómo? ¿Entonces te refieres realmente a la inductancia entre estos condensadores? ¿Cómo puedes evitar tales resonancias?
@nickagian: este es un problema de "golpear un topo": sofoca una resonancia y aparece otra. Amplios aviones terrestres y de suministro ayudan. O ingrese un agujero negro: **bypass_filter_design.pdf**
¿Podría dar más detalles sobre el párrafo "Uso de lo anterior... en la pizarra"? Quiero decir, he medido la potencia como dices y creo que se confirma que el ruido es peor en el lado del IC. ¿Qué quiere decir con que la PCB no tiene una potencia óptima y conexiones GND? ¿Cómo podría mejorarlo? El GND es de hecho común para todo el PCB. Completo en las capas 1, 4 y 8. ¿No puede ser que necesito una combinación diferente de condensadores de desacoplamiento? ¿O más de ellos?
No puedo diseñar su placa para usted a través de Internet, pero puedo sugerir algunas cosas que pueden conducir a una conectividad de energía más óptima en una placa de PC. 1) Intentar tener conexiones de cobre directas entre los pines del IC y los condensadores de derivación. 2) Minimice absolutamente la longitud de los tramos de cobre desde los pines IC hasta las tapas. 3) Minimizar la cantidad de VIA en el chip para limitar las conexiones a cero si es posible. 4) Intente seleccionar chips IC que tengan sus PwrPins y GndPins asignados de tal manera que pueda conectar las tapas en línea con 1->3 arriba. (continuado)
(continuación de arriba) 5) Hacer uso de planos GND completos. 6) Si no puede usar dispositivos BGA, coloque las tapas de derivación del chip IC en el campo de clavijas en el lado opuesto de la placa. 7) Considere el uso de pequeños vertidos de cobre alrededor de los pines de alimentación de IC en grupos de rieles de voltaje particulares y en las tapas de derivación asociadas para reducir la inductancia general y permitir múltiples VIA paralelos en los casos en que no se pueden evitar los VIA.
¡Gracias por tus sugerencias! :-) ¡Por supuesto que no te pedí que diseñaras el tablero a través de Internet para mí! :-) Estaba buscando un consejo, ya que no soy un experto en diseño. Desafortunadamente, nuestro diseñador también, y estoy buscando formas de mejorar el diseño yo mismo. Desafortunadamente, todos (o casi todos) sus puntos se cumplen con nuestro diseño. Excepto el #7, que para ser honesto no entendí completamente. Gracias de nuevo.
@nickagian: sugerencia para su artista de diseño: los PCB de capacitancia distribuida pueden valer la pena para su diseño, ya que producen un mejor desacoplamiento que cualquier cosa que pueda hacer solo con partes discretas.
Eliminar el ruido de alta velocidad de la fuente de alimentación
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