《高速PCB电路中电源开关噪声抑制方法》
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[摘 要]在过去的几十年中,各种电气和电子技术几乎按着指数规律发展变化着,各种新产品更是如雨后春笋般涌现出来,这些在一定程度上又加速了电子设备的快速发展.集成电路（IC）的微型化、运行速度的高速化使得高速数字系统相对于之前的低速电路有了很大的变化,但是也出现了许多新的问题：信号完整性（SI）、电源完整性（PI）、电磁兼容性（EMC）,这其中又以信号完整性的问题尤为急迫,信号完整性已成为高速PCB设计必须关心的问题之一.鉴于此,本文主要分析高速PCB电路中电源开关噪声抑制方法.
[关键词]高速PCB电路 电源开关 噪声抑制
中图分类号：TM77 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2019）01-0188-01
引言
在电子系统中,高速电路设计面临的三大问题,归根结底是一个噪声的问题.噪声对有用信号产生污染,使得高速链路中信号增加了不确定性,导致错误信息的出现. 而在高速电子系统中,电源开关噪声由于系统中不得不使用集成芯片使得其成为处理高速电路噪声中不得不面对的一个问题.
1.高速PCB电路的信号完整性
随着高速PCB电路系统时钟频率不断提高和信号的脉冲边沿时间不断缩短,高速PCB电路设计中的信号完整性问题倍受当今电子工程师的关注.
信号完整性是指信号在信号线上传输时的质量,是信号在电路中能以正确的时序和电压幅度做出响应的能力.电路具有良好的信号完整性是指电路中信号能以要求的时序、持续时间以及电壓幅度到达接收芯片管脚.当信号不能正常响应或者信号质量不能使系统长期稳定工作时,就出现了信号完整性问题.信号完整性主要表现在延迟、反射、串扰、时序、震荡等 几个方面.信号完整性主要研究的是互连线与高速数字信号的电压电流波形相互作用时其电气特性参数怎样来影响产品的性能.信号完整性问题并不是由某一单一因素所引起的,而是板级电路设计中多种因素共同导致的,其造成的影响一般分为时序、噪声和电磁干扰.其中,最为常见的是噪声问题.IEEE的电气和电子术语标准词典（IEEEStandardDictionaryofElectricalandElectronicsTerms）将噪声定义为叠加在有用信号上的不必要的扰动,这种扰动会使其信息含量变的模糊不清.它可能是随机的,也可能是确定性的信号.它会影响电子电路或系统的正常工作：在模拟电路中,最小可用的信号受限于外部和内部产生的噪声；噪声幅度决定了放大器增益的上限,当增益超过上限,放大器会饱和；噪声决定了检测器和接收机的最小可测信号；它还会导致被测信号的相位误差；对于数字信号,噪声很可能会影响高低电平的识别,将“0”和“1”互换.
2.高速PCB电路中电源开关噪声抑制方法分析
电源噪声的产生在很大程度上归因于非理想的电源分配网络.电源分配网络是高速PCB电源完整性设计的主要问题之一,其作用就是给系统内的所有器件或芯片提供足够的电源,并满足系统对电源完整性的要求.
由电压调节模块（VoltageRegulatorModule,VRM）、电源/地平面对、去耦电容组成.其中,VRM是最大的电荷存储和输送源,其功能是将一个直流电压转换为另一个直流电压,为整个电子系统提供电能,包括存储在去耦电容和电源/地平面中的电荷,以及IC消耗的功率.
电源分配网络的优良决定着高速电路设计的成败,而电源分配网络中电压调节模块和电源/地平面又是其中关键的两个部分.所以在高速电路设计时,对电压调节模块和电源/地平面中由于自身辐射和被干扰而产生的噪声作严格的处理就显得非常重要了.对于电源分配网络来说,开关同步噪声（Simultaneous Switching Noise,SSN ）是电源分配网络中电源/地线上产生的压降,这个压降的产生在整个系统中会对造成信号的电平不稳或者芯片的供电电压发生跳变,严重的时候,SSN会引起供电电源的轨道塌陷,系统将无法正常工作.
通常,电子系统中的电源噪声主要是同步开关噪声.同步开关噪声给电源分配网络带来的影响最为显著,由于电源分配网络总是存在着阻抗,因此在开关电流通过的时候,就会产生一定的电压降和电压摆动,也就是说器件的参考地已经不再保持零电平,因此在驱动端本来要发送的低电平会出现响应的噪声波形,其相位和地面噪声相同,而对于开关信号的波形来说,会因为地噪声的影响导致信号的下降沿变缓；在接受端,信号的波形同样会受到地噪声的干扰,不过这时的干扰波形和地噪声相位相反.
电源是电子系统的一个重要组成部分,同时它也是系统内部的噪声源,电源更是外部噪声进入电子系统的一个重要途径.系统中的噪声可以通过电源这个桥梁扩散到整个电子系统中去,也可以通过电源发出的辐射对周围其它的电子设备形成干扰.所以一个系统中要对电源传导采取一定的措施.电源给整个系统供电,首先要进行电磁干扰滤波,这部分通常设计成双向滤波,不仅防止电源中的噪声对系统内部进行干扰,也防止系统中的干扰通过电源辐射出去,干扰周围的电子设备.
电源分配网络中要抑制开关电源产生的电磁干扰,一个是要减小干扰源的强度,另一个是切断干扰的传播路径.开关电源设计原理不尽相同,它们也以不同的方式工作着,所以它们以不同的强度大小向周围展开辐射,对这些辐射的控制就要分别进行处理.将开关电源进行隔离可以减小其对外界的干扰；不同的整流方式产生的干扰也不同,其中桥式整流干扰最小；光耦合隔离更容易对产生的干扰进行控制.因此,在实际设计中,要结合电路的复杂程度、生产成本、调试难易度和电磁兼容性来设计.在进行开关回路设计时,要兼顾考虑高频抑制、开关瞬间的振荡和转换效率.上面这两种方法都是从减小干扰源的强度来减小干扰的,另一种方法是切断干扰的传播路径.切断干扰传播路径,首先可以采用滤波的方法.在电源输入端接上滤波器一方面将开关电源中产生的干扰信号减弱,减小传输到信号网络的干扰；另一方面也将信号网络中不必要的干扰电平过滤,防止其传向电源中进而对外界进行辐射.
随后基于局部谐振机理的共面型EBG结构也随之被提出,图2是共面型EBG结构的一种典型的示意图.这种结构主要是对电源平面进行蚀刻处理,通过周期型的结构形成固定的抑制频带.其原理主要是利用寄生电容和电感并联谐振的特性来抑制特定频率噪声.
到了2007年,经过了数十年的发展,一种混合型的EBG结构得到了广泛关注.而到如今,虽然距离共面型结构提出已有数十年的时间,但是由于它自身优异的特性,演变出了许多优异的共面型结构,如U型EBG结构、C型EBG结构、L型EBG结构、M型EBG结构.
总之,随着高速PCB（PrintedCircuitBoard）电路系统时钟频率的不断提高,信号上升时间不断变短以及电路集成度不断提高,反射、串扰和同步开关噪声（SSN）等信号完整性问题日益突出.信号完整性问题,尤其是同步开关噪声已成为高速电路设计中迫切需要解决的关键问题.因此,本文的研究也就显得十分有意义.
参考文献
[1]赵志宽.高速PCB电路中电源开关噪声抑制方法的研究[D].西安电子科技大学,2017.
本文结论:此文是一篇关于电源开关和高速PCB电路和噪声方面的电源论文题目、论文提纲、电源论文开题报告、文献综述、参考文献的相关大学硕士和本科毕业论文.
电源引用文献:
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