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電源噪聲問題的原因及電源噪聲余量的分析

發(fā)布時間： 2016-06-01 10:32:19 關(guān)注量：2051

芯片內(nèi)部有成千上萬個晶體管，這些晶體管組成內(nèi)部的門電路、組合邏輯、寄存器、計(jì)數(shù)器、延遲線、狀態(tài)機(jī)、以及其他邏輯功能。隨著芯片的集成度越來越高，內(nèi)部晶體管數(shù)量越來越大。芯片的外部引腳數(shù)量有限，為每一個晶體管提供單獨(dú)的供電引腳是不現(xiàn)實(shí)的。芯片的外部電源引腳提供給內(nèi)部晶體管一個公共的供電節(jié)點(diǎn)，因此內(nèi)部晶體管狀態(tài)的轉(zhuǎn)換必然引起電源噪聲在芯片內(nèi)部的傳遞。

對內(nèi)部各個晶體管的操作通常由內(nèi)核時鐘或片內(nèi)外設(shè)時鐘同步，但是由于內(nèi)部延時的差別，各個晶體管的狀態(tài)轉(zhuǎn)換不可能是嚴(yán)格同步的，當(dāng)某些晶體管已經(jīng)完成了狀態(tài)轉(zhuǎn)換，另一些晶體管可能仍處于轉(zhuǎn)換過程中。芯片內(nèi)部處于高電平的門電路會把電源噪聲傳遞到其他門電路的輸入部分。如果接受電源噪聲的門電路此時處于電平轉(zhuǎn)換的不定態(tài)區(qū)域，那么電源噪聲可能會被放大，并在門電路的輸出端產(chǎn)生矩形脈沖干擾，進(jìn)而引起電路的邏輯錯誤。芯片外部電源引腳處的噪聲通過內(nèi)部門電路的傳播，還可能會觸發(fā)內(nèi)部寄存器產(chǎn)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

除了對芯片本身工作狀態(tài)產(chǎn)生影響外，電源噪聲還會對其他部分產(chǎn)生影響。比如電源噪聲會影響晶振、PLL、DLL的抖動特性，A/D轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度等。

由于最終產(chǎn)品工作溫度的變化以及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的不一致性，如果是由于電源系統(tǒng)產(chǎn)生的問題，電路將非常難調(diào)試，因此最好在電路設(shè)計(jì)之初就遵循某種成熟的設(shè)計(jì)規(guī)則，使電源系統(tǒng)更加穩(wěn)健。

絕大多數(shù)芯片都會給出一個正常工作的電壓范圍，這個值通常是±5%。例如：對于3.3V電壓，為滿足芯片正常工作，供電電壓在3.13V到3.47V之間，或3.3V±165mV。對于1.2V電壓，為滿足芯片正常工作，供電電壓在1.14V到1.26V之間，或1.2V±60mV。這些限制可以在芯片datasheet中的recommended operating conditions部分查到。這些限制要考慮兩個部分，第一是穩(wěn)壓芯片的直流輸出誤差，第二是電源噪聲的峰值幅度。老式的穩(wěn)壓芯片的輸出電壓精度通常是±2.5%，因此電源噪聲的峰值幅度不應(yīng)超過±2.5%。當(dāng)然隨著芯片工藝的提高，現(xiàn)代的穩(wěn)壓芯片直流精度更高，可能會達(dá)到±1%以下，德州儀器（TI）公司的開關(guān)電源芯片TPS54310精度可達(dá)±1%，線性穩(wěn)壓源AMS1117可達(dá)±0.2%。但是要記住，達(dá)到這樣的精度是有條件的，包括負(fù)載情況，工作溫度等限制。因此可靠的設(shè)計(jì)還是以±2.5%這個值更把握些。如果你能確保所用的芯片安裝到電路板上后能達(dá)到更高的穩(wěn)壓精度，那么你可以為你的這款設(shè)計(jì)單獨(dú)進(jìn)行噪聲余量計(jì)算。下面著重電源部分設(shè)計(jì)的原理說明，電源噪聲余量將使用±2.5%這個值。

電源噪聲余量計(jì)算非常簡單，方法如下：

比如芯片正常工作電壓范圍為3.13V到3.47V之間，穩(wěn)壓芯片標(biāo)稱輸出3.3V。安裝到電路板上后，穩(wěn)壓芯片輸出3.36V。那么容許電壓變化范圍為3.47-3.36=0.11V=110mV。穩(wěn)壓芯片輸出精度±1%，即±3.363*1%=±33.6 mV。電源噪聲余量為110-33.6=76.4 mV。

計(jì)算很簡單，但是要注意四個問題：

第一，穩(wěn)壓芯片輸出電壓能精確的定在3.3V么？外圍器件如電阻電容電感的參數(shù)也不是精確的，這對穩(wěn)壓芯片的輸出電壓有影響，所以這里用了3.36V這個值。在安裝到電路板上之前，你不可能預(yù)測到準(zhǔn)確的輸出電壓值。

第二，工作環(huán)境是否符合穩(wěn)壓芯片手冊上的推薦環(huán)境？器件老化后參數(shù)還會和芯片手冊上的一致么？

第三，負(fù)載情況怎樣？這對穩(wěn)壓芯片的輸出電壓也有影響。

第四，電源噪聲最終會影響到信號質(zhì)量。而信號上的噪聲來源不僅僅是電源噪聲，反射串?dāng)_等信號完整性問題，也會在信號上疊加噪聲，不能把所有噪聲余量都分配給電源系統(tǒng)。所以，在設(shè)計(jì)電源噪聲余量的時候要留有余地。

另一個重要問題是：不同電壓等級，對電源噪聲余量要求不一樣，按±2.5%計(jì)算的話，1.2V電壓等級的噪聲余量只有30mV。這是一個很苛刻的限制，設(shè)計(jì)的時候要謹(jǐn)慎些。模擬電路對電源的要求更高。電源噪聲影響時鐘系統(tǒng)，可能會引起時序匹配問題。因此必須重視電源噪聲問題。

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北京合康億盛變頻科技股份有限公司

經(jīng)人介紹認(rèn)識了艾德杰，試著從他們那里買了一套產(chǎn)品，性能穩(wěn)定，故障幾乎沒有，即便有點(diǎn)小問題，他們也會過來處理，后來就一直和他們進(jìn)行友好合作。
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武漢中元華電科技股份有限公司

在我們決定與艾德杰電源合作后，他們派出技術(shù)骨干和我們的技術(shù)部門溝通，充分了解了我司的使用需求后立即準(zhǔn)備方案，待我們確認(rèn)方案后，艾德杰的工作人員馬上將此提上日程，在距預(yù)約交貨期還有5天的時候，就已將我司定制的電源送上門，安裝調(diào)試，產(chǎn)品使用至今，一切良好，非常感謝艾德杰的鼎力支持，不辭勞苦的幫我們設(shè)計(jì)開發(fā)新產(chǎn)品，技術(shù)可靠，服務(wù)周到。
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中國中船重工集團(tuán)707所

我們公司的工程師只擅長一部分工作，另一部分與電源有關(guān)的工作不是很擅長，公司有個新項(xiàng)目需要他人來合伙開發(fā)，生產(chǎn)，一時半會兒找不到合作伙伴。網(wǎng)上找到了艾德杰，經(jīng)過實(shí)地考察，我們決定和艾德杰試著合作一次，整個合作過程，我們多次溝通，商量，他們的工程師技術(shù)好，經(jīng)驗(yàn)豐富，我們和他們一起探討，彼此的知識面都擴(kuò)大了，合作過程中設(shè)計(jì)到多次修改，他們的工程師半句怨言都沒有，合作的過程非常滿意，產(chǎn)品準(zhǔn)時交給我們使用，...
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北京鐵道機(jī)車研究所

一次偶然的機(jī)會艾德杰的銷售人員聯(lián)系到我們，我們抱著試試看的心情從他那里訂購了一臺電源，性能很好，從那之后我們就建立了長期的合作關(guān)系，偶爾有一點(diǎn)點(diǎn)的小故障，他們的工作人員都會很快的過來幫忙處理。服務(wù)熱情周到，他們才是我們的好兄弟，好幫手。
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李明仕

湖北武漢人 1970年7月出生碩士學(xué)歷。從事電源設(shè)計(jì)研發(fā)工作30年，先后擔(dān)任多家電源公司的技術(shù)總監(jiān) 技術(shù)成果 1． 1996年獲武漢市科學(xué)技術(shù)研究成果證書武科成證字(96)第014號登記號WK9601003 成果名稱:DTK系列開關(guān)型直流穩(wěn)壓電源 2． 1996年武漢高創(chuàng)電子有限公司的電源項(xiàng)目獲得電源行業(yè)的第一個國家火炬計(jì)劃 3． 2000年武漢玉星電子有限責(zé)任公司<<電壓過零檢控軟開關(guān)電源>>項(xiàng)目獲科技部中小型企業(yè)創(chuàng)新基金無償資助,項(xiàng)目代號20004214054563 4.　電源方面各項(xiàng)專利近20項(xiàng)，其中發(fā)明專利2項(xiàng)。 5. 國內(nèi)電源期刊上發(fā)表多篇論文。

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沈錦飛

1955年出生，現(xiàn)任江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師。主要從事電力電子電路、裝置與電能質(zhì)量控制的研究和教學(xué)工作，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30多篇，其中EI檢索5篇，獲得教育部科技進(jìn)步獎、江蘇省教學(xué)成果獎、無錫市科技進(jìn)步獎，多項(xiàng)發(fā)明專利，主編本科教材；被評為無錫市優(yōu)秀教師、市級先進(jìn)個人。是中國自動化學(xué)會會員、江蘇省電工協(xié)會自動控制系統(tǒng)專委會委員、無錫市自動化學(xué)會理事、無錫市電機(jī)工程學(xué)會理事。

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顏文旭

1971 年出生，現(xiàn)任江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院教授，碩士生導(dǎo)師?，F(xiàn)主要從事電力電子技術(shù)及智能控制、機(jī)電一體化及過程控制等領(lǐng)域的研究和開發(fā)工作，發(fā)表學(xué)術(shù)論文30篇（其中EI收錄6篇），獲專利12項(xiàng)，參加編制十二五國家級規(guī)劃教材，國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，省青年科學(xué)基金項(xiàng)目，市級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，主持方塊地毯自動包裝生產(chǎn)線開發(fā)、2.0MW風(fēng)力發(fā)電變流器、10kV高壓固態(tài)軟起動器、船舶壓載水物理強(qiáng)化處理核心技術(shù)...

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