一種降低PWM電源噪聲干擾信號質量的設計與實現

武寧 榮世立 李德恒

摘 要：針對Sever產品設計中遇到的PWM周期信號對周圍信號網絡產生的噪聲干擾問題進行了理論分析及仿真測試驗證，提出了一種降低PWM電源噪聲干擾信號質量的設計方法， 即在PWM噪聲源和周圍敏感電源信號網絡之間的地平面上增設Slot開槽，以此切斷或增加地平面上噪聲的傳播路徑，進而大幅降低PWM噪聲對周邊信號網絡的干擾，提高系統運行穩定性。

關鍵詞：PWM電源噪聲；信號質量；開槽；仿真；量測

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）15-0057-02

在Server產品設計過程中，其PCB電源設計一般為PWM開關電源，開關電源的Phase端為一周期性開關電壓信號，噪聲較大，一般設計過程中其它信號及電源都會遠離這個噪聲區域。但是PWM開關電源Phase端必須通過地進行回流，這樣Phase端的噪聲將會傳到其鄰近的地平面上，地平面上的噪聲將造成參考此地平面的信號波動，從而影響系統穩定性，地平面噪聲是PCB設計過程中經常被忽視的地方。基于此，本文對造成系統無法正常工作的CL_ VREF_MCH電壓波動原因進行了分析和模擬仿真，并提出一種能有效抑制PWM周期信號對CL_VREF_MCH電壓信號影響的方法。

1 噪聲來源分析

如圖1所示的原理圖設計中，電源信號CL_VREF_ MCH為電源1D1_MCH_CL的分壓，在電路板打板后量測發現1D1_MCH_CL電壓完全符合設計要求，而CL_VREF_ MCH電壓波動卻很大，造成系統無法正常工作。

為了驗證以上分析的正確性，通過示波器對VTT電源Phase端波形和CL_VREF_MCH的電壓波形進行了測量，測量結果見圖2所示，可以看到，CL_VREF_MCH電壓存在較大的噪聲，且此噪聲與VTT Phase的電壓變化存在相關性。接下來通過仿真的方法對此進行驗證，并以此對PCB設計進行優化分析。

利用仿真工具（Speed2000時域仿真軟件）對上述分析過程進行仿真模擬驗證。根據Layout布線的具體位置，設定電源激勵的輸入觀察點和終端觀察點，并完全按照實際電路設計搭建相關線路。

參照圖2所示的VTT Phase量測波形，利用仿真軟件模擬其實測電壓，基于上述建模激勵觀察CL_VREF_MCH電壓仿真結果，如圖3所示，仿真結果與實際測量結果基本吻合。CL_VREF_MCH線路上的電壓波動為811mV，其振蕩幅度遠遠超過spec規定的容忍范圍（spec規定Ripple要求：0.35V+/-10%），嚴重影響了系統的穩定性。

2 改進方案闡述

通過前文分析和對layout的檢查，理論上可以通過以下幾個方案進行修改，以提高系統性能：（1）移除C60器件，切斷耦合路徑。（2）縮短CL_VREF_MCH的布線長度。（3）移動C60位置使其緊靠芯片。（4）增大PWM平面與鄰近地平面間距。（5）可在PWM Phase平面與C60電容之間增設開槽，切除噪聲最短傳輸路徑。

雖然第一種方法能降低電壓波動，但是不符合電路設計原理。對于第二種方法，若C60位置不變，其耦合點較近，改善效果不佳。若使用第三種方法，由于主板正面空間不足，不得不將C60放置到電路板背面，造成生產成本增加，若使用第四種方法，雖然可以降低對鄰近信號的干擾，但是電源電路的回流路徑增大，會影響電源本身設計質量。對比分析上述幾種方案可知，只有第五種方案的可行性較高，因此針對其進行仿真驗證，并觀察其效果。改進后拓撲圖如圖4所示。

如圖4中黑色線所示，在與PWM電源平面相鄰的GND平面上增加slot槽。此slot槽為非導電區域，即在此區域將GND平面上的銅箔給挖空，當VTT Phase電壓噪聲信號傳遞到此slot槽時，噪聲信號將被阻斷，無法繼續向C60方向直接傳播。噪聲必須繞過slot槽處的非導電區域，在GND平面上有銅箔的其他地方繼續向前傳播。由于slot槽正好位于VTT Phase電源平面和C60耦合電容之間，這樣就切斷了噪聲信號的最短路徑，其噪聲信號經過較遠的導電路徑傳播到C60耦合電容處。由于傳播路徑的增大，使其傳輸路徑中大部分電能量將轉化成熱能量消耗掉，到達C60電容處的噪聲能量將被大幅消弱，在CL_MCH_VREF線路上將不會產生大的電壓波動，因此，系統電壓將穩定輸出。

3 仿真結果分析

基于改進后的Layout圖，給系統加入自建激勵信號，參考電壓的仿真結果如圖5所示。

觀察仿真結果發現，電壓噪聲為15.28mV，噪聲波動范圍大幅度降低。

4 結語

本文針對Sever產品電源設計中PWM周期信號對終端產生的噪聲問題進行了分析及仿真，通過仿真驗證了理論分析的正確性，并提出了改進方法。結合電路工作原理及產品設計規范確定了最終的改進方法，即在PWM電源平面相鄰的GND平面上增加slot槽，使電壓噪聲信號改變傳遞路徑，將噪聲的大部分電能量將轉化成熱能量消耗掉。改版仿真結果表明，在噪聲源和敏感點之間增加slot的槽，可以大幅降低噪聲干擾，提高電源系統的穩定性。

參考文獻

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