一种降低PWM电源噪声干扰信号质量的设计与实现

武宁 荣世立 李德恒

摘 要：针对Sever产品设计中遇到的PWM周期信号对周围信号网络产生的噪声干扰问题进行了理论分析及仿真测试验证，提出了一种降低PWM电源噪声干扰信号质量的设计方法， 即在PWM噪声源和周围敏感电源信号网络之间的地平面上增设Slot开槽，以此切断或增加地平面上噪声的传播路径，进而大幅降低PWM噪声对周边信号网络的干扰，提高系统运行稳定性。

关键词：PWM电源噪声；信号质量；开槽；仿真；量测

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）15-0057-02

在Server产品设计过程中，其PCB电源设计一般为PWM开关电源，开关电源的Phase端为一周期性开关电压信号，噪声较大，一般设计过程中其它信号及电源都会远离这个噪声区域。但是PWM开关电源Phase端必须通过地进行回流，这样Phase端的噪声将会传到其邻近的地平面上，地平面上的噪声将造成参考此地平面的信号波动，从而影响系统稳定性，地平面噪声是PCB设计过程中经常被忽视的地方。基于此，本文对造成系统无法正常工作的CL_ VREF_MCH电压波动原因进行了分析和模拟仿真，并提出一种能有效抑制PWM周期信号对CL_VREF_MCH电压信号影响的方法。

1 噪声来源分析

如图1所示的原理图设计中，电源信号CL_VREF_ MCH为电源1D1_MCH_CL的分压，在电路板打板后量测发现1D1_MCH_CL电压完全符合设计要求，而CL_VREF_ MCH电压波动却很大，造成系统无法正常工作。

为了验证以上分析的正确性，通过示波器对VTT电源Phase端波形和CL_VREF_MCH的电压波形进行了测量，测量结果见图2所示，可以看到，CL_VREF_MCH电压存在较大的噪声，且此噪声与VTT Phase的电压变化存在相关性。接下来通过仿真的方法对此进行验证，并以此对PCB设计进行优化分析。

利用仿真工具（Speed2000时域仿真软件）对上述分析过程进行仿真模拟验证。根据Layout布线的具体位置，设定电源激励的输入观察点和终端观察点，并完全按照实际电路设计搭建相关线路。

参照图2所示的VTT Phase量测波形，利用仿真软件模拟其实测电压，基于上述建模激励观察CL_VREF_MCH电压仿真结果，如图3所示，仿真结果与实际测量结果基本吻合。CL_VREF_MCH线路上的电压波动为811mV，其振荡幅度远远超过spec规定的容忍范围（spec规定Ripple要求：0.35V+/-10%），严重影响了系统的稳定性。

2 改进方案阐述

通过前文分析和对layout的检查，理论上可以通过以下几个方案进行修改，以提高系统性能：（1）移除C60器件，切断耦合路径。（2）缩短CL_VREF_MCH的布线长度。（3）移动C60位置使其紧靠芯片。（4）增大PWM平面与邻近地平面间距。（5）可在PWM Phase平面与C60电容之间增设开槽，切除噪声最短传输路径。

虽然第一种方法能降低电压波动，但是不符合电路设计原理。对于第二种方法，若C60位置不变，其耦合点较近，改善效果不佳。若使用第三种方法，由于主板正面空间不足，不得不将C60放置到电路板背面，造成生产成本增加，若使用第四种方法，虽然可以降低对邻近信号的干扰，但是电源电路的回流路径增大，会影响电源本身设计质量。对比分析上述几种方案可知，只有第五种方案的可行性较高，因此针对其进行仿真验证，并观察其效果。改进后拓扑图如图4所示。

如图4中黑色线所示，在与PWM电源平面相邻的GND平面上增加slot槽。此slot槽为非导电区域，即在此区域将GND平面上的铜箔给挖空，当VTT Phase电压噪声信号传递到此slot槽时，噪声信号将被阻断，无法继续向C60方向直接传播。噪声必须绕过slot槽处的非导电区域，在GND平面上有铜箔的其他地方继续向前传播。由于slot槽正好位于VTT Phase电源平面和C60耦合电容之间，这样就切断了噪声信号的最短路径，其噪声信号经过较远的导电路径传播到C60耦合电容處。由于传播路径的增大，使其传输路径中大部分电能量将转化成热能量消耗掉，到达C60电容处的噪声能量将被大幅消弱，在CL_MCH_VREF线路上将不会产生大的电压波动，因此，系统电压将稳定输出。

3 仿真结果分析

基于改进后的Layout图，给系统加入自建激励信号，参考电压的仿真结果如图5所示。

观察仿真结果发现，电压噪声为15.28mV，噪声波动范围大幅度降低。

4 结语

本文针对Sever产品电源设计中PWM周期信号对终端产生的噪声问题进行了分析及仿真，通过仿真验证了理论分析的正确性，并提出了改进方法。结合电路工作原理及产品设计规范确定了最终的改进方法，即在PWM电源平面相邻的GND平面上增加slot槽，使电压噪声信号改变传递路径，将噪声的大部分电能量将转化成热能量消耗掉。改版仿真结果表明，在噪声源和敏感点之间增加slot的槽，可以大幅降低噪声干扰，提高电源系统的稳定性。

参考文献

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