電源噪聲產(chǎn)生的原因有哪些?
電源的噪聲通常有一下三個(gè)方面:
第一,穩(wěn)壓電源芯片本身的輸出并不是恒定的,會(huì)有一定的波紋。這是由穩(wěn)壓芯片自身 決定的,一旦選好了穩(wěn)壓電源芯片,對(duì)這部分噪聲我們只能接受,無法控制。
第二,穩(wěn)壓電源無法實(shí)時(shí)響應(yīng)負(fù)載對(duì)于電流需求的快速變化。穩(wěn)壓電源芯片通過感知其 輸出電壓的變化,調(diào)整其輸出電流,從而把輸出電壓調(diào)整到額定輸出值。多數(shù)常用的穩(wěn)壓源 調(diào)整電壓的時(shí)間在 ms~us 級(jí)。因此,對(duì)于負(fù)載電流變化頻率在直流到幾百 KHz 之間時(shí),穩(wěn) 壓源可以很好的做出調(diào)整,保持輸出電壓的穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)電流變化頻率超出這一范圍時(shí), 穩(wěn)壓源的電壓輸出會(huì)出現(xiàn)跌落,從而產(chǎn)生電源噪聲。現(xiàn)在,微處理器的內(nèi)核及外設(shè)的時(shí)鐘頻 率已超過了 600 MHz,內(nèi)部晶體管電平轉(zhuǎn)換時(shí)間下降到 800 ps 以下。這要求電源分配系 統(tǒng)必須在直流到 1GHz 范圍內(nèi)都能快速響應(yīng)負(fù)載電流的變化, 但現(xiàn)有穩(wěn)壓電源芯片不可能 滿足這一苛刻要求。我們只能用其他方法補(bǔ)償穩(wěn)壓源這一不足,這涉及到后面要講的電源去 耦。
第三,負(fù)載瞬態(tài)電流在電源路徑阻抗和地路徑阻抗上產(chǎn)生的壓降。PCB 板上任何電氣 路徑不可避免的會(huì)存在阻抗,不論是完整的電源平面還是電源引線。對(duì)于多層板,通常提供 一個(gè)完整的電源平面和地平面,穩(wěn)壓電源輸出首先接入電源平面,供電電流流電源平面, 到達(dá)負(fù)載電源引腳。地路徑和電源路徑類似,只不過電流路徑變成了地平面。完整平面的阻 抗很低,但確實(shí)存在。如果不使用平面而使用引線,那么路徑上的阻抗會(huì)更高。另外,引腳 及焊盤本身也會(huì)有寄生電感存在,瞬態(tài)電流流此路徑必然產(chǎn)生壓降,因此負(fù)載芯片電源引 腳處的電壓會(huì)隨著瞬態(tài)電流的變化而波動(dòng),這就是阻抗產(chǎn)生的電源噪聲。在電源路徑表現(xiàn)為 負(fù)載芯片電源引腳處的電壓軌道塌陷, 在地路徑表現(xiàn)為負(fù)載芯片地引腳處的電位和參考地 電位不同 (注意,這和地彈不同,地彈是指芯片內(nèi)部參考地電位相對(duì)于板級(jí)參考地電位的 跳變)