Блог

Oct 03, 2023

Понимание и минимизация джиттера коммутационного шума (SNJ)

Будучи разработчиком аналоговых и силовых схем в течение 50 лет, я разработал свою долю импульсных источников питания. В 1972 году для меня, как и для многих других начинающих энергетиков, это было «черным искусством».

Будучи разработчиком аналоговых и силовых схем в течение 50 лет, я разработал свою долю импульсных источников питания. В 1972 году для меня, как и для многих других начинающих энергетиков, это было «черным искусством» (рис. 1).

Я разработал стандартную технологию пассивного фильтра для входа и выхода импульсного источника питания, которая помогла минимизировать шум переключения, а также заключил импульсный источник питания в металлическую клетку с отверстиями для дополнительной защиты и циркуляции воздуха. В 70-е годы я даже не знал, что такое джиттер шума переключения (SNJ)!

Имея все это в виду, давайте посмотрим, что такое SNJ и как мы можем его свести к минимуму.

Импульсный источник питания может быть основным источником шума. Сюда входит шум, который проходит по линиям электропитания в виде кондуктивного шума. Шум становится излучаемым шумом (вредным электромагнитным излучением), что отрицательно влияет не только на сам блок питания, но и на другое электронное оборудование. Импульсные источники питания были бы практически бесполезны без решения этих проблем с помощью мер ЭМС.

Многие проектировщики систем и схем не знают, что в их конструкциях импульсные источники питания имеют так называемый джиттер шума переключения. Этот тип шума представляет собой «шум на шуме», и обычные фильтры шума оказывают лишь минимальное влияние на SNJ.

В этой статье мы обсудим значение джиттера шума переключения (SNJ) и почему решение Harmony PI Filter является эффективным решением для столь многих приложений электронных систем. Мы также углубимся в одну из крупнейших областей потребности в этой технологии: беспроводную связь 5G и 6G. Сила соединения в этих приложениях во многом зависит от четкости сигнала.

Джиттер шума переключения – это, по сути, шум на шуме в импульсном источнике питания, который приводит к перемещению шума во временной области. Давайте возьмем пример часов 5G, в котором шум источника питания может серьезно снизить производительность фазового шума часов 5G (рис. 2 и рис. 3).

Разработчикам схем необходимо обеспечить наилучшие характеристики динамического диапазона для своих продуктов. Решение должно быть простым, небольшим по размеру и иметь наилучшие характеристики, которые помогут отфильтровать любой шум источника питания и тем самым обеспечить наилучшее соотношение сигнал/шум (SNR) при проектировании системы.

Таким образом, динамический диапазон системы можно значительно улучшить, используя фильтры Harmony PI TransSIP для среднеквадратического джиттера 19 фс, что эквивалентно идеальному среднеквадратичному джиттеру 17 фс (рис. 4).

Проектировщики могут добавить PI-фильтр Harmony размером с рисовое зернышко (2,2 × 2,6 мм) к каждому из блоков питания в своей конструкции. Этот фильтр также может сократить общее количество компонентов печатной платы на целых 80 %, необходимых для проектирования, при общей экономии площади печатной платы на 93 %.

Также типовую конструкцию платы с тремя дискретными фильтрами, имеющими по 15 компонентов каждый, можно уменьшить до размера 7,7 мм2 со 112 мм2. В качестве бонуса будет улучшено подавление шума более чем на 10 дБ в диапазоне 6 ГГц (рис. 5).

ПИ-фильтр Harmony также находит применение в системах высокой мощности и управления, таких как системы управления батареями (BMS) и блоки управления питанием (PCU) (рис. 6).

Фильтры Harmony PI широко используются во многих системах сбора энергии, таких как системы глобального позиционирования (GPS)/глобальные навигационные спутниковые системы (GNSS). Приложение GNSS показано на рисунке 7.

Срок службы батареи приемника GPS/GNSS зависит от скорости «Время до первого определения местоположения» или TTFF. Это достаточно мощный процесс. Каждый раз, когда GPS включается, процесс TTFF потребляет от 5 до 10 раз энергии, обычно используемой для спутниковой навигации. Когда проект создается быстрее, TTFF будет тратить меньше энергии на цифровую обработку.

TTFF обычно будет медленным в реальных условиях слабого сигнала, и одна или две минуты являются обычным явлением, а могут быть и дольше. Хорошим примером являются часы с GPS, которые были модифицированы для включения источника питания с поддержкой TransSiP PI, что позволяет часам работать значительно быстрее в TTFF, чем другие часы с GPS. TransSiP PI позволяет спортивным часам с GPS работать в 5 раз дольше. Устройства позиционирования GPS и GNSS также станут в 10 раз более точными (рис. 8).