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Oct 03, 2023

Verstehen und Minimieren von Switching Noise Jitter (SNJ)

Als 50-jähriger Designer von Analog- und Leistungsschaltungen habe ich meinen Teil an Schaltnetzteilen entworfen. Für mich war es 1972 eine „schwarze Kunst“, wie auch für viele andere junge Power-Designer

Als 50-jähriger Designer von Analog- und Leistungsschaltungen habe ich meinen Teil an Schaltnetzteilen entworfen. Im Jahr 1972 war es für mich und viele andere junge Energiedesigner eine „schwarze Kunst“ (Abbildung 1).

Ich habe eine standardmäßige passive Filtertechnologie für den Ein- und Ausgang des Schaltnetzteils entwickelt, die dazu beitrug, Schaltgeräusche zu minimieren. Außerdem habe ich das Schaltnetzteil in einen Metallkäfig mit Löchern für zusätzliche Abschirmung und Luftzirkulation eingeschlossen. In den 70er Jahren wusste ich noch nicht einmal, was Switching Noise Jitter (SNJ) ist!

Lassen Sie uns vor diesem Hintergrund einen Blick darauf werfen, was SNJ ist und wie wir es minimieren können.

Ein Schaltnetzteil kann eine große Lärmquelle sein. Hierzu zählen auch Geräusche, die in Form von leitungsgebundenem Rauschen durch Stromversorgungsleitungen fließen. Der Lärm wird zu abgestrahltem Lärm (schädliche elektromagnetische Strahlung) und beeinträchtigt nicht nur das Netzteil selbst, sondern auch andere elektronische Geräte. Ohne EMV-Maßnahmen wären Schaltnetzteile nahezu nutzlos.

Vielen System- und Schaltungsentwicklern ist nicht bewusst, dass Schaltnetzteile in ihren Designs einen sogenannten Schaltrausch-Jitter aufweisen. Bei dieser Art von Rauschen handelt es sich um „Rauschen auf Rauschen“, und herkömmliche Rauschfilter haben nur einen sehr geringen Einfluss auf SNJ.

In diesem Artikel diskutieren wir die Bedeutung des Switching Noise Jitter (SNJ) und warum die Lösung des Harmony PI Filters eine effektive Lösung für so viele elektronische Systemanwendungen ist. Wir werden uns auch mit einem der größten Bedarfsbereiche für diese Technologie befassen: der drahtlosen 5G- und 6G-Kommunikation. Die Verbindungsstärke hängt bei diesen Anwendungen stark von der Signalklarheit ab.

Beim Schaltrauschen-Jitter handelt es sich im Wesentlichen um Rauschen auf Rauschen in einem Schaltnetzteil, das zu einer Bewegung des Rauschens im Zeitbereich führt. Nehmen wir ein Beispiel für einen 5G-Takt, bei dem Netzteilrauschen die Phasenrauschleistung des 5G-Takts erheblich beeinträchtigen kann (Abbildung 2 und Abbildung 3).

Schaltungsentwickler benötigen für ihre Produkte die bestmögliche Dynamikbereichsleistung. Die Lösung muss einfach, klein und leistungsstark sein und dabei helfen, jegliches Netzteilrauschen herauszufiltern und so das beste Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) im Systemdesign zu ermöglichen.

In diesem Sinne kann der Dynamikbereich eines Systems mithilfe der Harmony PI-Filter von TransSIP für den RMS-Jitter von 19 fsec erheblich verbessert werden, was dem idealen RMS-Jitter von 17 fsec entspricht (Abbildung 4).

Designer können jedem Netzteil in ihrem Design einen Harmony PI-Filter hinzufügen, der so klein wie ein Reiskorn (2,2 mm × 2,6 mm) ist. Dieser Filter kann auch die Anzahl der für ein Design benötigten PCB-Gesamtkomponenten um bis zu 80 % reduzieren und insgesamt 93 % PCB-Platz einsparen.

Außerdem kann ein typisches Platinendesign mit drei diskreten Filtern mit jeweils 15 Komponenten von 112 mm2 auf eine Größe von 7,7 mm2 reduziert werden. Als Bonus wird es eine Verbesserung der Rauschunterdrückung um mehr als 10 dB im gesamten 6-GHz-Spektrum geben (Abbildung 5).

Der Harmony PI-Filter findet auch Anwendungen in Hochleistungs- und Steuerungssystemen wie Batteriemanagementsystemen (BMS) und Leistungssteuereinheiten (PCUs) (Abbildung 6).

Harmony PI-Filter werden in vielen auf Energiegewinnung basierenden Systemen wie Global Positioning Systems (GPS)/Global Navigation Satellite Systems (GNSS) in großem Umfang eingesetzt. Eine GNSS-Anwendung ist in Abbildung 7 dargestellt.

Die Batterielebensdauer eines GPS/GNSS-Empfängers wird durch die Geschwindigkeit von „The Time To First Position Fix“ oder TTFF bestimmt. Dies ist ein recht leistungsintensiver Prozess. Jedes Mal, wenn das GPS eingeschaltet wird, verbraucht der TTFF-Prozess das Fünffache bis Zehnfache der Energie, die normalerweise für die Satellitennavigation verwendet wird. Wenn ein Design schneller erstellt wird, verschwendet die TTFF weniger Energie für die digitale Verarbeitung.

Unter realen schwachen Signalbedingungen ist die TTFF normalerweise langsam und ein oder zwei Minuten sind üblich und können sogar noch länger sein. Ein gutes Beispiel ist eine GPS-Uhr, die so modifiziert wurde, dass sie ein TransSiP PI-fähiges Netzteil enthält, wodurch die Uhr im TTFF deutlich schneller ist als andere GPS-Uhren. Der TransSiP PI ermöglicht der GPS-Sportuhr eine 5-mal längere Akkulaufzeit. Auch die Genauigkeit von GPS- und GNSS-Ortungsgeräten wird um das Zehnfache verbessert (Abbildung 8).

Biomedizinische optische Herzfrequenzmonitore (OHRMs), die am Handgelenk getragen werden können, sind in der Regel weniger genau als Versionen mit Brustgurten und sind in der Regel mit mehreren LEDs und Fotodetektoren ausgestattet, die komplexe, fortschrittliche Algorithmen verwenden.

Mit TranSiP PI verbesserte OHRMs erreichen mit nur einer einzigen LED und einem Fotodetektor eine Genauigkeit, die weit verbreiteten Brustgurten entspricht. Der Harmony PI-Filter ist in der Lage, das gesamte Rauschen in der Stromversorgungsvorspannung der LED, des Fotodetektors, des analogen Frontends (AFE) und des aktuellen ADC zu entfernen (Abbildung 9).

Zu den TransSiP PI-Produkten gehören der Symphony PI DC-DC-Chipsatz und der Harmony PI-Filter. Der Symphony PI DC-DC ermöglicht die beste Rauschqualität in einem DC/DC-Abwärtswandler im Schaltmodus.

Der Harmony-Filter funktioniert mit vielen verschiedenen Gleichstromquellen und eliminiert ein breites Spektrum an Rauschen im Frequenz- und Zeitbereich. Dies ermöglicht eine Filterung, die es Systemen ermöglichen kann, ein hohes Maß an Signalklarheit, Empfindlichkeit, Genauigkeit, Zuverlässigkeit und – was am wichtigsten ist – ein positives Endbenutzererlebnis zu erreichen.

Alle verwendeten Bilder mit freundlicher Genehmigung von TransSIP

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