电源噪声的起因及危害

对造成电源不稳定的根源进行简单分析如下,主要在于两个方面:一是器件高速开关状态下,瞬态的交变电流过大;二是电流回路上存在的电感。从表现形式上来看又可以分为三类:同步开关噪声(SSN),有时被称为Δi噪声,地弹(Ground bounce)现象也可归于此类(图1-a);非理想电源阻抗影响(图1-b);谐振及边缘效应(图1-c)。

对于一个理想的电源来说,其阻抗为零,在平面任何一点的电位都是保持恒定的(等于系统供给电压),然而实际的情况并不如此,而是存在很大的噪声干扰,甚至有可能影响系统的正常工作,见图2:

开关噪声给信号传输带来的影响更为显著,由于地引线和平面存在寄生电感,在开关电流的作用下,会造成一定的电压波动,也就是说器件的参考地已经不再保持零电平,这样,在驱动端(见图3-a),本来要发送的低电平会出现相应的噪声波形,相位和地面噪声相同,而对于开关信号波形来说,会因为地噪声的影响导致信号的下降沿变缓;在接收端(见图3-b),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;另外,在一些存储性器件里,还有可能因为本身电源和地噪声的影响造成数据意外翻转(图3-c)。

从前面的图3-c我们可以看到,电源平面其实可以看成是由很多电感和电容构成的网络,也可以看成是一个共振腔,在一定频率下,这些电容和电感会发生谐振现象,从而影响电源层的阻抗。比如一个8英寸×9英寸的PCB空板,板材是普通的FR4,电源和地之间的间距为4.5Mils,随着频率的增加,电源阻抗是不断变化的,尤其是在并联谐振效应显著的时候,电源阻抗也随之明显增加(见图4)。

除了谐振效应,电源平面和地平面的边缘效应同样是电源设计中需要注意的问题,这里说的边缘效应就是指边缘反射和辐射现象,也可以列入EMI讨论的范畴。如果抑制了电源平面上的高频噪声,就能很好的减轻边缘的电磁辐射,通常是采用添加去耦电容的方法,从图5中可以看出去耦电容在抑制边缘辐射中的作用。边缘效应是无法完全避免的,在设计PCB时,要尽量让信号走线远离铺铜区边缘,以避免受到太大的干扰。

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