2.Шумы в источниках питания

 Введение

Повышение скорости переключения, крутизны фронтов и увеличение числа активных выводов корпуса приводит к увеличению наведенного коммутационного шума в источниках питания. В то же время повышается восприимчивость схем к шумам источника питания, поскольку снижение амплитуды сигнала приводит к сужению границ допустимых значений шума.\

В результате конструкторы всех устройств — от сотовых телефонов до серверов — все больше уделяют внимание шумам источника питания. Как правило, для измерения шумов источников питания используются осциллографы реального времени, что связано с широкополосным характером этих шумов. В этой статье обсуждаются шумы источников питания и их измерение с помощью осциллографа Agilent серии Infiniium 8000.\

«Шум»

В идеальном случае источник питания шуметь не должен, так почему же он шумит? Простой гауссовский шум, неизбежно порождаемый тепловыми процессами, в данном случае не является доминирующим. Главным источником шумов в большинстве цифровых схем являются процессы коммутации.

Импульсные источники питания порождают собственные шумы — как правило, на частотах, кратных рабочей частоте преобразователя. Кроме того, в момент переключения логических схем и формирователей импульсного сигнала возникают переходные токи, оказывающие дополнительную нагрузку на источник питания. Хотя такие переключения могут происходить в случайные моменты времени, они так или иначе привязаны к тактовой частоте системы. Поэтому их следует считать не столько «шумами», сколько «сигналами», накладывающимися на постоянное напряжение источника питания (рис. 1). Такой подход к рассмотрению шума значительно упрощает его анализ.

3. Помехи в автомобильной электрике

Многие системы и устройства питаются от источников постоянного тока. Такая система будет работать нормально, если в линии питания поддерживается номинальное рабочее напряжение в пределах допустимого отклонения.

Обычно мы считаем, что бортовая сеть автомобиля представляет собой сеть постоянного тока напряжением 12 В. Однако напряжение бортовой сети автомобиля подвержено различным колебаниям и помехам. Изменение скорости двигателя может вызвать флуктуации напряжения. Изменение нагрузки, например, включение стеклоподъемника, может вызвать просадку напряжения 12 В. Сильные переходные процессы возникают в бортовой сети во время запуска двигателя. Автомобильная электроника, от блока управления двигателем до развлекательных систем и измерительных приборов, должна выдерживать эти переходные процессы — немногим понравится, если компьютер управления двигателем зависнет при нажатии на тормоз или газ.

Если светодиодные осветительные приборы работают от распределительной сети постоянного тока, помехи в системе питания могут влиять на их видимое излучение. Помехи и переходные процессы могут вызывать нежелательное и неприятное мерцание светодиодов.

Если от одного источника постоянного тока питается несколько устройств или подсистем, подключение или отключение одних устройств может порождать переходные процессы, влияющие на другие устройства. При первом подключении USB-устройства бросок тока может превышать номинальный рабочий ток и даже максимальный допустимый ток 5-В источника шины USB. Это особенно характерно для мощных устройств, таких как жесткие диски USB, которые потребляют большой пусковой ток в момент пуска двигателя. Пусковой ток просаживает напряжение 5 В шины USB, и если напряжение упадет достаточно сильно, может привести к сбросу всех других устройств на шине USB. Вполне понятно, что такое событие может привести к потере данных.

Аналогично и пусковые токи могут создавать проблемы даже в системах с фиксированной конфигурацией, в которой не происходит подключение или отключение устройств. Например, при первом включении программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) она может потреблять значительный стартовый ток. Эти броски стартового тока, превышающие ток обычного рабочего режима до 10 раз, могут легко посадить источник питания системы, вызвав мгновенное снижение напряжения, что может неблагоприятно повлиять на другие компоненты и подсистемы, работающие от этого же источника, и вызвать их сброс или отключение. И хотя влияние пускового тока можно свести к минимуму, применив более мощный источник питания, это не всегда приемлемо, поэтому многие подсистемы нужно тестировать на устойчивость к пусковым токам, вызывающим помехи в цепи питания.