Как стать автором
Обновить

Аналоговое и цифровое питание. Мифы и реальность

Время на прочтение 8 мин
Количество просмотров 33K
Всего голосов 47: ↑43 и ↓4 +39
Комментарии 49

Комментарии 49

Вроде и по делу. И можно простить смешение индукции с индуктивностью. И даже "ферритовый сердечник" - я сам затрудняюсь в подборе адекватного перевода для названия этого компонента.

Его основная идея не в его индуктивности, а во вносимых им потерях на высоких частотах. Что и обеспечивает улучшение изоляции входной линии питания от пульсаций выходной.

Но... перепутывание N- и P-канальных транзисторов и тока с напржением вызывает подозрения.

Спасибо. Исправил опечатку с каналами транзисторов! Про ток с напряжением не понял.

Заголовок спойлера

Современный процессор может потреблять 200Вт при токах работы в 1В

Исправил!

Да уж, терминология глаза режет. И демпфирующий вместо блокировочного, и ферритовые сердечники вместо ферритовых бусинок. И вышеперечисленное. Похоже на перевод, да плашки нет.

Ну простите просто редко сталкиваюсь с русской терминологией. Сам почти полностью на английском работаю и читаю иностранную литературу.

Обычно их называют "ферритовыми бусинами" ("ferrite bead").

это то же самое, что на других схемах обозначают как дроссели, или что-то другое? Мы обычно ставим монолитные дроссели типоразмера 0805 c сопротивлением 120 Ом на 100MГц.

Ну, в принципе их можно представить как дроссель, хотя довольно специфичный. Процитирую вот отсюда: «Бусинки, несмотря на то, что их часто так называют — это не катушки индуктивности. Дело в том, что бусинки изготавливаются из специальных ферритов с большими потерями на перемагничивание. Чем чаще феррит перемагничивается (больше частота), тем больше на нем теряется энергии. Эта энергия выделяется в виде тепла. Все что выделяет тепло является активным сопротивлением, а не катушкой индуктивности!».

А потери на высоких частотах случайно не с индуктивностью связаны?

Да, с паразитной индуктивностью.

Индуктивность есть конечно, но нет, работают они несколько по другому. Собственно поэтому их и выделили в отдельный класс компонентов и даже обозначают часто по-другому. На частотах заграждения в импедансе преобладает активная составляющая, т.к. применяется специальный феррит, который имеет повышенные потери в нужном частотном диапазоне. У AD есть хороший апноут на эту тему: https://www.analog.com/media/en/technical-documentation/application-notes/an-1368.pdf

График импеданса Ferrite Bead (AN-1368 Analog Devices)
График импеданса Ferrite Bead (AN-1368 Analog Devices)

+1

А можно тогда ваш коммент сразу в статью подшить как цитату?

Ну документ я этот читал, но хотел попроще материал составить.

без проблем :)

Спасибо за статью. Верно ли утверждение, что соединение аналоговой и цифровой земли преследует только одну цель: не допустить ситуации, что "цифровой" ток потечёт в аналоговой цепи и принесёт помех?

Другой вопрос в способе соединения этих двух земель: интуитивно понятно, что их потенциал должен быть равен. И кто-то ставит ферритовую катушку чтобы уравнять потенциал, но не пропустить помех. Но как действительно правильно соединть эти земли, если источник питания общий, а аналоговое питание получается из цифрового LC ФНЧ?

И третий вопрос, почему схема из примера не запускается при простом соединении земель?

Я бы сказал, что лучше соединить земли. Но сделать это так, чтобы возвратный ток цифровой земли не смешивался и не взаимодействовал с аналоговым. Либо же использовать любые приемы, чтобы цифровая земля без причины не просачивалась в аналоговую. Частично для этого ставят охранные кольца (guarding rings) возле чувствительных мест.

Давайте уточним на примере. Пусть слева от чипа на схеме всё аналоговое, а справа - всё цифровое. Земли слева и справа разведены разные и соединены в единой точке прямо под чипом. Источник питания общий. LC ФНЧ питания тоже установлен, его C подключён к точке соединения земель.

1. Куда подключать общий провод источника: к точке соединения земель?

2. Куда подключить плюс источника: к LC ФНЧ со стороны цифры?

Да и да.
По возможности. Если затруднительно — можно рассмотреть возможность подключения в других точках с "цифровой" стороны.

Я бы сказал, что лучше соединить земли. Но сделать это так, чтобы возвратный ток цифровой земли не смешивался и не взаимодействовал с аналоговым.

Да, как вариант — устроить "Мекку" заземления не на источнике питания, а у АЦП. Особенно — если он один.


Прошу прощения, но


Частично для этого ставят охранные кольца (guarding rings) возле чувствительных мест.

это совсем про другое.

это совсем про другое

А про что? (и я не говорил что только для этого)

В "аналоге", как правило, это применяется для:


  • снижения паразитных утечек при работе с токами, условно, ниже 1..10 пА;
  • расширения частотного диапазона высокоимпедансных выносных датчиков (другая сторона той же проблемы) путём использования кабеля с двойным экраном и питанием внутреннего экрана от низкоимпедансного (повторитель) источника с тем же уровнем напряжения, что и сигнал.
    http://the-epic-file.com/text/bookz/aoe_3/ch_08/aoe3_08_16.htm#x_08_16_03e

А практически единственная рекомендация "охранного кольца" для "цифры" — это задающий генератор RTC. И там — оно связано с "землёй", ввиду объективной трудности связать его с выходом генератора.

И кто-то ставит ферритовую катушку чтобы уравнять потенциал, но не пропустить помех.

Но не в цепь земли, ИМХО.

В цепь земли не ставят. Там всегда чем короче путь тем лучше.

Иногда — пытаются. По крайней мере — на уровне эскиза.

Как я понимаю, ставят если для цифры и аналога свои независимые источники питания. Только тогда оправдано их общие соединить через ферритовую катушку.

Что-то забыли подробно расписать про полигоны, как лучше чередовать слои.

А то смотрю дизайны плат у людей и вижу как ведут дорожки питания 0,15 и такой-же в виде паутины соединяют земли (для многих земля - это всего лишь общий провод, а не жирный полигон).

Еще можно упомянуть про гальванически разделение питания, в чем плюс, в чем сложности. Как линейные стабилизаторы фильтр уют помехи или наоборот, начинают посвистывать.

А как линейные стабилизаторы начинают посвистывать?

За счёт кривой обвяки появляется положительная обратная связь

Ну это надо очень постараться, имхо

Не все линейные стабилизаторы одинаковы. Те же LDO за счет другого включения регулирующего транзистора имеют гораздо меньший запас устойчивости, чем классические. Конечно, чтобы получить самовозбуждение, нужно действительно сильно постараться, но все же читать даташит от корки до корки, а не только основные параметры, настоятельно рекомендуется.
Классические линейные стабилизаторы выдают пилу на выходе. И работают за счет наличия паразитного последовательного сопротивления классического электролита или тантала. (по этому опасно завышать рекомендуемые номиналы, потому что Rs будет падать и нормальная пила не возникнет).
Некоторые деятели (как я) нагружают на керамику, где сопротивление очень мало, что не есть правильно. В результате при малых токах как-то работает, но при больших токах с устойчивостью может быть беда и стабилизатор может начать не выдавать нужный ток или даже генерить помехи. Также многие не понимают что дельта мощности тупо рассеивается на линейном преобразователе и в части применений нужен радиатор.
В некоторых современных линейниках (есть к примеру у TI) в даташитах заявлено то что они могут работать на керамику.

Да, тема для еще одной статьи!

Хотелось бы отметить, что не всегда в разделении питания есть смысл. К примеру, если у вас аналоговая часть заключается в операционнике с АЦП, то шум по питанию может пролезть в аналоговую часть двумя способами: от него зависит опорное напряжение, и шум будет пролазить через операционник. Но поскольку и опорник и операционник охвачены обратной связью, то зависимость выходного сигнала от напряжения питания для этих микросхем незначительная. Обычно в даташитах есть такой параметр как Ripple Rejection Ratio или Power-Supply Rejection Ratio (RRR и PSRR, соответственно). Значения обычно лежат от десятков децибел до сотни с небольшим. Если влияние шума по питанию у вас 80 дБ, а вам надо от АЦП 12 разрядов, то даже шум 100% от питания (что говорит об ошибках в цифровой части) не повлияет даже на самый младший разряд. В таком случае можно не усложнять себе жизнь и обойтись конденсаторами по питанию без разделения питания на аналоговое и цифровое.

Спасибо за комментарий! Да вы совершенно правы, можно было сказать про то, что это вообще не всегда необходимо. Но просто по моим соображениям люди чаще ничего не делают и соединяют их, чем делают ненужные действия тогда, когда от этого ничего не зависит.

Но поскольку и опорник и операционник охвачены обратной связью, то зависимость выходного сигнала от напряжения питания для этих микросхем незначительная.… Значения обычно лежат от десятков децибел до сотни с небольшим.

Собственное усиление падает с частотой и для ООС будет всё меньше и меньше места, где можно разгуляться. Что мы и видим на графиках PSRR (КОИП) от частоты.


Если влияние шума по питанию у вас 80 дБ, а вам надо от АЦП 12 разрядов, то даже шум 100% от питания (что говорит об ошибках в цифровой части) не повлияет даже на самый младший разряд.

Поясните примером и расчётом. А то на открытие похоже:


  • При 100% шуме питания (0-2*Vпит) схема явно не будет работать.
  • Если есть возможность измерять логометрически (когда и сигнал и опорное напряжение АЦП считаются относительно напряжения питания) — может быть. Но не наверняка (см. выше) и не всегда возможно в принципе.

Собственное усиление падает с частотой и для ООС будет всё меньше и меньше места, где можно разгуляться. Что мы и видим на графиках PSRR (КОИП) от частоты.

Ну так на этих частотах и полезного сигнала не будет. Эти частоты все равно надо давить ФНЧ аналоговым или цифровым.

Поясните примером и расчётом. А то на открытие похоже:

Не понимаю в чем открытие? Допустим, питание 3В, пульсации -40 дБ или 0,03В. Возьмем дешевенький ИОН (например adr3425). Допустим, нас интересует полоса до 1кГц, остальное задавим. В даташите на графике 18 видим, что PSRR в этой полосе не больше -40 дБ. Получаем пульсации опорного напряжения 0,03В*(-40дБ) = 0,3 мкВ. При опорном напряжении 2,5В это 0,3 мкВ / 2,5В = около 0,0001 или 13ый бит от всего диапазона. Значит до 12 бит можно пренебречь. Можно взять ИОН лучше. Аналогично можно посчитать и для операционника.

Ратиометрические (если вы их имели в виду) датчики в данном случае наоборот будут только хуже.

Так а мифы-то в чём?
Заголовок намекает, что в статье будет разоблачение неких мифов на обозначенную тему. Перечитал статью два раза в прямом порядке, и один раз — в обратном, так и не нашёл.

Да, до мифов не дошло. Когда начинал писать показалось, что это удачное название.

Статью не осилил, по-моему она запутывает больше.
Новичкам я бы посоветовал:
— изучить все даташиты и appnotes. Скорее всего там уже есть референсный дизайн, который следует максимально повторить. Если вы считаете что вы джедай и все разводите в один слой, когда в рекомендациях четыре слоя — то вы идиот. В 2021 году почти не осталось причин не использовать четырехслойные платы (отношение сигнал-шум лучше в 10-100 раз). Цена слабо отличается от двухслойной платы (закупант врёт если говорит иначе) Частоты всего резко выросли, нанометры уменьшились и вся электроника стало гораздо нежнее по сравнению со старой дубовой 5-вольтовой логикой. Два внутренних слоя следует отдать под полигоны питания. Они будут работать как идеальный высокочастотный конденсатор. То есть дизайн платы гораздо важнее чем установленные конденсаторы, которые часто и не работают. Всё потому что электроника это не алгебра, а скорее геометрия, и от взаимного расположения блоков и компонентов зависит больше чем от номиналов.
— Мне не стыдно сложный дизайн выслать вендору на проверку, а иногда выслать и свою плату. Это всегда бесплатно. Этим следует пользоваться. У вендора часто есть лаборатория и приборы которых у вас не будет никогда, а также внутренний софт с тепловым и электромагнитным анализом.
Когда вы будете разбираться с производителем — «почему у меня не работает»?, то он ткнет вас носом в appnotes где был дан правильный ответ. У меня был случай когда повторенный дизайн не работал (при испытаниях в климокамере на отрицательных температурах), тем не менее это лучше чем дизайн отражающий ваш внутренний мир.

Ну ладно, допустим ваша плата не вписывается в референсный дизайн и нужно разработать что-то уникальное. А уникальное ли это? Сильно агитирую наступить на горло собственной песне и изучить решения лучших конкурентов на рынке. Найти время на реверс. Почти всегда наступает откровение, особенно если вы в этой области до этого не разрабатывали.

Хорошо, если хочется разобраться или конкурентов нет. Поток сознания:
— у большинства в голове «канализационно-трубопроводная» модель электроники, где что-то втекает, а что-то вытекает. Частично это так, но для учета целостности сигналов полезнее модель когда электромагнитная волна бежит сразу по всем проводам. То есть «вода течет в обе стороны сразу». И лучшая среда для такой волны это волновод — тот самый распределенный конденсатор из полигонов описанный выше. Либо коаксиальный волновод, где сплошной перфорацией из переходных отверстий имитируется коаксиал. Любые пересечения с другими волноводами это зло.
— Каждый функциональный блок на плате следует рассматривать не как нежный блок который следует защитить, а как потенциальный источник помех. То есть мы не защищаем единственный нежный блок, а делаем так чтобы по общей шине питания от него не бегали помехи. Также как в лампах дневного света или импульсных блоках питания ставят по входу из розетки дроссель не для того чтобы защитить нежный блок питания, а для того чтобы не свистела вся проводка в доме.
— главное правило — выскочастотные помехи проходят по наименьшей индуктивности. Внезапно оказывается что высокочастные помехи легко проходят через межвитковую емкость катушек, конденсаторы которые разработчик взял «с запасом» не работают из за большой индуктивности выводов. А силовая часть выдающая два ампера превращается на длинной дорожке в один вольт помех, если импеданс дорожки на высокой частоте равен половине Ома.
Исходя из этого у разработчика есть один инструмент — поднять индуктивность там где требуется и снизить индуктивность тоже там где требуется.
Радикальный ультимативный способ узнать параметры приборов — прогнать их векторным анализатором. Или хотя бы посмотреть частотные характеристики. Наступит озарение, почему вендор предлагает поставить параллельно три керамических конденсатора в 2.2uF, 0.1uF и 30pF (каждый работает в узком диапазоне частот).
— контрпример. Вендоры dc-dc преобразователей постоянно хвастают низким уровнем помех. Или их «калькулятор на сайте» делает упор в низкие помехи. Иногда низкие помехи это зло. Например ваша нагрузка ожидает 2 ампера с высокой скоростью нарастания, а низкие помехи означают плавность нарастания, плавное реагирование на изменение на выходе. В этом случае стоит загнать dc-dc в «злой режим с помехами». При грамотной трассирвоке платы это не является проблемой.
— Радикальное решение проблем с помехами это персональное питание для каждого потребителя. Например у вас на входе 12В и на плате у каждого потребителя очень близко расположенный свой источник питания (+1,2, +1,8, +1,8, +1,8, +3,3В и так далее). Такое часто встречаю у дорогих изделий где разработчики не сильно озадачены себестоимостью.
В реальной жизни, как правило, это невозможно и какое-нибудь питание гуляет по всей плате.
— В общем случае изоляция крупных функциональных блоков таких как силовое исполнительное устройство, аналоговая часть, цифровая часть достигается путем разрезания полигонов. Изображается дерево, где ветви расходятся от входа по питанию. Также бывает что полезно вырезать «острова из полигонов», «закутки» если нужно снизить помехи от блока.
Бывает проблема что дельта напряжений между ветвями оказывается значительной и приходится все же выравнивать потенциалы земель, для этого подходят бусинковые ферриты.
Иногда встречается утверждение что это бессмысленное занятие, потому что «все равно к плате подходит двухметровый кабель и где здесь дерево?». Ну для этого, в общем случае, плату по входу защищают, в идеале, дросселем защиты от синфазных и дифференциальных помех, проходными конденсаторами. Или хотя бы заказать блок питания с «утолщением на проводе» — крупной бусиной около разъема. Но это когда есть деньги.
— выше было описано как помехи можно «не пустить» или «разделить». Есть еще вариант — помехи «поглотить». Для этого придуманы TVS-диоды, терморезисторы, mosfet-переключатели, самовосстанавливающиеся предохранители и прочие схемотехнические решения на привычных компонентах.
— Но главный источник помех, все же, это не внутренний помехи, а внутренние кабельные подключения. Каждый кабель это отличная антенна. Радикальный способ решения это «клетка Фарадея», разъемы с полным шилдом и защита каждого порта всем тем что впаривают вендоры специализирующие на защите от индуктивных и кондуктивных помех.

Итоговые выводы:
— главное это дизайн платы, а не количество компонентов. Электроника это геометрия, а не алгебра. Решает не количество конденсаторов, а конденсаторы в правильных местах.
— помехи бегут не там где кажется, а по фактической индуктивности.
— разработчик управляет помехами путем изменения индуктивности.
— помехи можно поглощать.

Контрвывод: можно работодателю залечить про «клетку Фарадея», про все схемотехнические решения которые «необходимы» и цена изделия улетит в космос. Но в конкурирующей конторе окажется джедай, который сделает отличное решение в пластике, с минимумом компонентов и без всякой экзотики. Секрет успеха — следование лучшим практикам и испытания, испытания испытания. Полезны климокамеры, хотя бы на плюсовые температуры, потому что температура это ещё один изменяемый параметр который случится у пользователя, а не у вас на столе. Если вам «негде» то идите во внешние лаборатории. Если нет возможности то воруйте знания у конкурентов и следуйте всем рекомендациям вендоров.

Что за "разрезание полигонов" и "острова из полигонов" ??

полигон - область сплошной заливки медью на плате (раньше часто применялась в виде сетки для уменьшения вероятности коробления платы)

https://equpment.ru/windows/rekomendacii-po-proektirovaniyu-pechatnyh-plat-mini-faq-po/

А разрезание - это процедура разделки областей сплошной заливки медью на плате ножом? Или фрезой? )))
(мне минусА уже, кажется, не страшны)

В общем, вопрос был не про это.

Может оформите в виде статьи? Чтобы в комментариях не потерялось.

Индуктивность поддерживает ток, а не сопротивляется ему. Иначе говоря, сопротивляется изменению тока. Ее сопротивление в момент переключения равно бесконечности. Пусть в первый момент оба транзистора закрыты. Ток через транзисторы равен 0. Напряжение на истоке верхнего транзистора равно Vdd. Потом верхний транзистор открывается. Ток через индуктивность мгновенно измениться не может и в первый момент равен 0. Напряжение на истоке тоже равно 0, так как сопротивление индуктивности равно бесконечности, и все Vdd падает на нем. Затем ток через индуктивность начинает расти экспоненциально, соответственно ток и напряжение на нагрузке растет.
Потом в какой-то момент верхний транзистор пытается закрыться, а нижний открыться. Но ток через индуктивность мгновенно измениться не может! Другими словами индуктивность поддерживает почти постоянный ток через увеличивающееся сопротивление исток-сток. U=I*R - на закрывающемся транзисторе возникнет скачок напряжения произвольной величины! Чтобы всей это катавасии не возникало блокировочные (демпфирующие) конденсаторы устанавливают как можно ближе к ножкам питания микросхем. Тогда ток, который гонит индуктивность будет заряжать блокировочный конденсатор, напряжение на котором Uc=Ic/C. То есть конденсатор будет сглаживать броски напряжения (выбросы по питанию), возникающие из-за паразитной индуктивности.

Затем ток через индуктивность начинает расти экспоненциально

Линейно

Если нет сопротивления, то линейно.

Зарегистрируйтесь на Хабре , чтобы оставить комментарий