電源系統(tǒng)的噪聲來源有哪些

電源系統(tǒng)作為電子設(shè)備中至關(guān)重要的組成部分，其穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，電源系統(tǒng)往往會(huì)受到各種噪聲的干擾，這些噪聲不僅會(huì)影響電源系統(tǒng)的性能，還可能對(duì)整個(gè)電子設(shè)備產(chǎn)生不良影響。本文將探討電源系統(tǒng)中噪聲的來源。

穩(wěn)壓電源芯片本身的輸出并非恒定不變，而是存在一定的波紋。這種波紋是由穩(wěn)壓芯片自身特性所決定的，一旦選定了穩(wěn)壓電源芯片，我們便無法對(duì)其產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行有效控制。這種噪聲雖然看似微小，但在高精度、高靈敏度的電子設(shè)備中卻可能引發(fā)嚴(yán)重的問題。

穩(wěn)壓電源在面對(duì)負(fù)載電流需求的快速變化時(shí)，往往無法做到實(shí)時(shí)響應(yīng)。穩(wěn)壓電源芯片通過感知其輸出電壓的變化來調(diào)整輸出電流，從而將輸出電壓穩(wěn)定在額定值附近。然而，多數(shù)常用的穩(wěn)壓源調(diào)整電壓的時(shí)間都在毫秒到微秒量級(jí)，這意味著當(dāng)負(fù)載電流變化頻率在直流到幾百KHz之間時(shí)，穩(wěn)壓源尚能較好地做出調(diào)整并保持輸出電壓的穩(wěn)定。但一旦負(fù)載瞬態(tài)電流變化頻率超出這一范圍，穩(wěn)壓源的電壓輸出便會(huì)出現(xiàn)跌落，進(jìn)而產(chǎn)生電源噪聲。

隨著微處理器技術(shù)的不斷發(fā)展，其內(nèi)核及外設(shè)的時(shí)鐘頻率已經(jīng)超過了600兆赫茲，內(nèi)部晶體管電平轉(zhuǎn)換時(shí)間更是下降到了800皮秒以下。這無疑對(duì)電源分配系統(tǒng)提出了更高的要求，即必須在直流到1GHz范圍內(nèi)都能快速響應(yīng)負(fù)載電流的變化。然而，現(xiàn)有的穩(wěn)壓電源芯片顯然無法滿足這一苛刻要求，因此我們需要采用其他方法來補(bǔ)償穩(wěn)壓源的這一不足。

負(fù)載瞬態(tài)電流在電源路徑阻抗和地路徑阻抗上產(chǎn)生的壓降也是電源噪聲的重要來源之一。在PCB板上，任何電氣路徑都不可避免地會(huì)存在阻抗，無論是完整的電源平面還是電源引線。

對(duì)于多層板而言，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，供電電流流經(jīng)電源平面到達(dá)負(fù)載電源引腳。地路徑與電源路徑類似，只是電流路徑變成了地平面。雖然完整平面的阻抗很低，但確實(shí)存在。如果不使用平面而改用引線，那么路徑上的阻抗將會(huì)更高。

引腳及焊盤本身也會(huì)存在寄生電感，當(dāng)瞬態(tài)電流流經(jīng)此路徑時(shí)必然產(chǎn)生壓降。這使得負(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)，從而形成由阻抗產(chǎn)生的電源噪聲。在電源路徑上表現(xiàn)為負(fù)載芯片電源引腳處的電壓軌道塌陷；而在地路徑上則表現(xiàn)為負(fù)載芯片地引腳處的電位與參考地電位不同（需要注意的是，這與地彈現(xiàn)象不同。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）。