ブログ

Oct 03, 2023

スイッチング ノイズ ジッター (SNJ) を理解し、最小限に抑える

私は 50 年間、アナログおよび電源回路の設計者として、スイッチング電源の設計を担当してきました。 1972 年当時の私にとって、そして他の多くの駆け出しの権力デザイナーにとっても、それは「黒魔術」でした。

私は 50 年間、アナログおよび電源回路の設計者として、スイッチング電源の設計を担当してきました。 1972 年当時の私にとって、また他の多くの駆け出しのパワー デザイナーにとっても、これは「黒魔術」でした (図 1)。

スイッチング電源の入力と出力用に、スイッチング ノイズを最小限に抑えるのに役立つ標準パッシブ フィルタ技術を設計しました。また、シールドと空気循環を強化するための穴のある金属ケージ内にスイッチング電源を密閉しました。 70 年代には、スイッチング ノイズ ジッター (SNJ) が何なのかさえ知りませんでした。

以上のことを念頭に置いて、SNJ とは何か、そしてそれを最小限に抑える方法を見てみましょう。

スイッチング電源は主なノイズ源となる可能性があります。 これには、電源ラインを伝導ノイズとして流れるノイズも含まれます。 このノイズは放射ノイズ（有害な電磁波）となり、電源自体だけでなく他の電子機器にも悪影響を及ぼします。 これらの問題にEMC対策を講じなければ、スイッチング電源はほとんど役に立ちません。

多くのシステムおよび回路設計者は、スイッチング電源の設計にスイッチング ノイズ ジッターとして知られるものが存在することを認識していません。 この種のノイズは「ノイズ・オン・ノイズ」であり、従来のノイズ・フィルターは SNJ に最小限の影響しか与えません。

この記事では、スイッチング ノイズ ジッター (SNJ) の重要性と、Harmony PI フィルターのソリューションが多くの電子システム アプリケーションにとって効果的なソリューションである理由について説明します。 また、このテクノロジーが最も必要とされる分野の 1 つである 5G および 6G 無線通信についても詳しく掘り下げていきます。 これらのアプリケーションにおける接続強度は、信号の明瞭さに大きく依存します。

スイッチング ノイズ ジッターは本質的に、スイッチング電源におけるノイズ オン ノイズであり、時間領域でのノイズの移動を引き起こします。 電源ノイズによって 5G クロックの位相ノイズ性能が大幅に低下する可能性がある 5G クロックの例を考えてみましょう (図 2 および図 3)。

回路設計者は、製品に対して可能な限り最高のダイナミック レンジ性能を必要とします。 このソリューションは、電源ノイズをフィルタリングして除去し、システム設計で最高の信号対雑音比 (SNR) を実現できる、シンプル、小型、最高のパフォーマンスを備えている必要があります。

これらの方針に沿って、TransSIP の Harmony PI フィルターを 19 fsec RMS ジッターに使用すると、システムのダイナミック レンジを大幅に改善できます。これは、17 fsec の理想的な RMS ジッターに相当します (図 4)。

設計者は、米粒ほど小さい Harmony PI フィルタ (2.2 mm × 2.6 mm) を設計内の各電源に追加できます。 また、このフィルタは、設計に必要な PCB コンポーネントの総数を 80% も削減し、PCB 面積を合計 93% 節約できます。

また、それぞれ 15 個のコンポーネントを備えた 3 つの個別フィルターを備えた一般的な基板設計は、112 mm2 から 7.7 mm2 のサイズに縮小できます。 さらに、6 GHz スペクトル全体でノイズ除去が 10 dB 以上改善されます (図 5)。

Harmony PI フィルタは、バッテリ管理システム (BMS) や電力制御ユニット (PCU) などの高電力および制御システムにも応用できます (図 6)。

Harmony PI フィルターは、全地球測位システム (GPS)/全地球測位衛星システム (GNSS) などの多くの環境発電ベースのシステムで広く使用されています。 GNSS アプリケーションを図 7 に示します。

GPS/GNSS 受信機のバッテリー寿命は、「最初の測位までの時間」または TTFF の速度によって決まります。 これは非常にハイパワーなプロセスです。 GPS の電源がオンになるたびに、TTFF プロセスは衛星ナビゲーションに通常使用される電力の 5 倍から 10 倍の電力を消費します。 設計が高速化されると、TTFF がデジタル処理に浪費するエネルギーが減ります。

実際の信号が弱い状況では TTFF は通常遅くなり、1 ～ 2 分が一般的ですが、さらに長くなる場合もあります。 良い例は、TransSiP PI 対応の電源を組み込むように変更された GPS ウォッチです。これにより、時計は他の GPS ウォッチよりも TTFF で大幅に高速になります。 TransSiP PI により、GPS スポーツ ウォッチのバッテリー寿命が 5 倍長くなります。 GPS および GNSS 測位デバイスの精度も 10 倍向上します (図 8)。