Ruido de la fuente de alimentación

¿Qué es un buen ruido de fuente de alimentación decente?

Permítanme ampliar, dos casos, tengo una fuente de alimentación de sobremesa, puse mi osciloscopio en el acoplamiento de CA y miro la ondulación que está alrededor de 20 mV. ¿Es este un buen número para una PSU decente? (Estoy jugando con los circuitos ANalog, por lo que el ruido de 20 mV es un gran problema)

El segundo caso es mi regulador a bordo, tengo un amplificador que toma de 2V a 5V. Miro los 5V sin ninguna carga y veo una onda de 7mV (sierra). ¿Esto es normal? Tengo todas las tapas de desacoplamiento allí, por lo que hubiera esperado mucho menos, especialmente sin una carga decente.

Pregunta adicional, ¿cuál es la mejor manera de medir el ruido de la fuente de alimentación? Supongo que especialmente con corrientes pequeñas como esta, ¿tiene que haber algo más que tocar con una sonda?

Por supuesto, no hay una respuesta única a lo que es el ruido "decente" de la fuente de alimentación. Eso es como preguntar qué es un automóvil decente sin decirnos si es para conducir por una pista de carreras o por caminos de tierra en el campo.

Si los valores que menciona son decentes depende de cómo se utilizará ese tren de potencia. Lo que realmente parece estar preguntando es solo desde el punto de vista de la fuente de alimentación si estos valores parecen razonables o no. 20 mV para un suministro genérico de sobremesa me parece bastante razonable, al igual que 7 mV para un convertidor de impulso incorporado (de hecho, eso es bastante bueno en comparación con muchos de ellos).

Sin embargo, su circuito puede tener una opinión diferente. Si el suministro de 5V solo alimenta los circuitos digitales, entonces es mucho más limpio de lo necesario. Incluso la ondulación de 100mVpp sería tolerable.

Si está alimentando circuitos analógicos sensibles, entonces 7mV podría ser grande. En ese caso, el contenido de frecuencia de la onda también es importante. La mayoría de los circuitos integrados analógicos tienen una especificación de rechazo de la fuente de alimentación. Hay componentes electrónicos activos en el IC para hacer que su funcionamiento sea algo independiente del voltaje de la fuente de alimentación. Sin embargo, esa electrónica solo puede reaccionar al ruido hasta cierta frecuencia. Los requisitos de frecuencia para obtener la relación de rechazo de la fuente de alimentación especificada rara vez se especifican. Es una buena práctica colocar un cordón de ferrita o un inductor de chip pequeño seguido de una tapa de cerámica para conectar a tierra los cables de alimentación de las partes analógicas. Esto atenuará las frecuencias altas del ruido, con la esperanza de que las frecuencias bajas restantes estén en el rango que la parte pueda manejar y rechazar activamente.

Algunas partes son mucho más susceptibles a esto que otras. La primera vez que usé uno de los acelerómetros multiejes Freescale había mucho ruido en la salida. El ruido de la fuente de alimentación en realidad parecía amplificarse en la salida. Agregar el inductor de chips mencionado anteriormente en serie con una tapa a tierra en el cable de alimentación ayudó mucho a limpiar la señal de salida.

Para responder a su última pregunta, la forma normal de ver el ruido de la fuente de alimentación es exactamente lo que hizo. AC acopla la entrada del osciloscopio, aumenta la ganancia y observa el tamaño del desorden resultante.

Diseñé una fuente de alimentación de muy bajo consumo antes, así que permítanme compartir un gráfico que hice para una presentación donde describí la diferencia en los niveles de ruido de varias fuentes de alimentación. El gráfico muestra el nivel de ruido logarítmico en función de la frecuencia de CC a 50 kHz. No recuerdo cómo se compensa la escala en el eje Y, pero puede obtener la esencia general de la descripción:

• Curva roja: representa el suministro típico de 3.3v de un producto digital (en uso), estaba en su rango de ruido de 10 mV, recuerdo
• Curva púrpura: verruga de pared típica más un LDO de bajo ruido de 5.6V
• Curva azul: lo anterior más otro regulador de 5V
• Curva negra: mi diseño de PSU, que tenía alrededor de 1-3 uV de ruido

Entonces, dependiendo de la cantidad de filtrado y diseño que haga, ¡el ruido de la fuente de alimentación puede diferir en 4 órdenes de magnitud! su 20 mV desde una fuente de alimentación de mesa es bastante buena y estándar, creo (vea la advertencia a continuación para el ruido de la sonda del osciloscopio).

Los osciloscopios normales son prácticamente inútiles para cualquier trabajo por debajo de 10 mV, por cierto. También desea observar la transformación de Fourier (contenido espectral) del ruido para sacar conclusiones útiles. Por supuesto, si ve algo simple como una gran ondulación o inestabilidad, este es un buen comienzo, pero a menudo el ruido no es tan obvio.

Los analizadores de espectro dedicados son el camino a seguir, pero normalmente son para uso de RF y van desde algo así como 100 kHz a 5 GHz, lo que no es muy interesante si está depurando un amplificador de audio analógico, por ejemplo. Algunos de los modelos más antiguos pasan de DC a 100 kHz.

También debe acoplar el punto de medición al instrumento con algo más que una sonda de osciloscopio (normal). Puede agregar fácilmente docenas de mV de ruido solo con el bucle de tierra de la sonda. Se pueden usar sondas con un cable de tierra integrado, pero lo mejor es un conector coaxial dedicado y un cable desde su PCB.

La mayoría de las fuentes de alimentación conmutadas en las que he estado involucrado con el diseño especifican el 1% de la salida de CC nominal como ondulación máxima de pico a pico; 50mV para un riel de 5V, 120mV para un riel de 12V, etc.

Los suministros lineales tienden a ser mucho menos ruidosos, ya que no hay un componente ondulado de conmutación HF en la salida.

No es raro que un riel de fuente de alimentación conmutada tenga múltiples etapas de filtro LC, o alimente una etapa de regulador lineal si se necesita una ondulación extra baja.

La medición de ondas es una forma de arte en sí misma. Debe tomar medidas para no detectar el ruido de modo común. A menudo, el osciloscopio utilizado para la medida está configurado en un ancho de banda reducido (20 MHz es común) y los condensadores se utilizan para eliminar el HF 'extraño' (manteniendo visible la onda de conmutación y los componentes de frecuencia de línea visibles): 100nF en paralelo con 10uF no es inaudito. A veces, se utiliza una resistencia de como carga (junto con los condensadores) y la conexión al osciloscopio se realiza con un cable coaxial blindado.$50\Omega$

Parecen niveles de ruido normales en una línea de suministro de energía, pero esto no significa que tenga tanto ruido en su señal analógica. La relación de rechazo de la fuente de alimentación PSRR es el factor que describe la cantidad de ruido de la fuente de alimentación que se superpone a la señal, por ejemplo, en una hoja de datos opamp.

Las hojas de datos para las dos unidades de suministro de energía de sobremesa que uso especifican una fluctuación de voltaje de 15-30 mVpp en el rango de 20 Hz a 20 MHz.

Todo por encima de 100 kHz-1 MHz está cortado por decaps.

Para cortar por debajo de 100 kHz:
1) se puede utilizar
un regulador lineal en chip 2) un estrangulador de ferrita (junto con condensadores a tierra) entre la fuente de alimentación y el consumidor de energía
.

Cuando me di cuenta por primera vez de que existe una fluctuación de suministro de energía tan "grande" (alrededor de 10-20 mV), me asusté. Sin embargo, después de poner el ruido transitorio en mi CAD, el ruido de 100 kHz era una línea casi plana (generalmente hago simulaciones para unidades de microsegundos, mientras que T = 1/100 kHz = 10 us). Esto se debe a que a menudo los dispositivos electrónicos digitales y analógicos funcionan con frecuencias Mega y Giga Hz.

Pero depende de la aplicación y la frecuencia de trabajo de un dispositivo bajo prueba.

PD: para decir con certeza si impacta su dispositivo o no, coloque el ruido transitorio VDD en su simulador y vea si afecta los resultados o no.