Analiza i ublažavanje šuma napajanja u procesu dizajna visokofrekventnih PCB ploča

U visokofrekventna PCB pločaŠum napajanja se ističe kao značajan oblik interferencije. Ovaj članak provodi sveobuhvatnu analizu karakteristika i porijekla šuma napajanja u visokofrekventnim PCB-ima i nudi praktična i efikasna rješenja zasnovana na inženjerskim primjenama.

A.Analiza šuma napajanja

Šum napajanja odnosi se na šum koji generira ili poremećuje sam izvor napajanja. Ovaj šum je evidentan u sljedećim aspektima:

1. Distribuirana buka koja nastaje usljedinherentna impedancija napajanja. U visokofrekventnim kolima, šum napajanja značajno utiče na visokofrekventne signale. Stoga je početni zahtjev niskošumni...napajanjePodjednako važni su čisto tlo i napajanje električnom energijom.

U idealnom scenariju, napajanje bi bilobez impedanse, što rezultira odsustvom šuma. Međutim, u praksi, napajanje posjeduje određenu impedanciju, koja je raspoređena po cijelom napajanju, što dovodi do superponiranja šuma. Stoga treba uložiti napore da se impedancija napajanja minimizira. Poželjno je imati namjenski pogonski avioniravnina tlaU dizajnu visokofrekventnih kola, generalno je efikasnije dizajnirati napajanje u slojevima nego u formatu magistrale, osiguravajući da petlja dosljedno prati putanju sa najmanjom impedansom. Pored toga, ploča za napajanje pruža...signalna petljaza sve signale generirane i primljene na PCB-u, čime se minimizira signalna petlja i smanjuje šum.

2. Interferencija polja zajedničkog moda: Ova vrsta interferencije odnosi se na šum između napajanja i uzemljenja. Nastaje zbog interferencije uzrokovane petljom koju formira poremećeno kolo i naponom zajedničkog moda koji nastaje zbog zajedničke referentne površine. Magnituda zavisi od relativnih električnih i magnetskih polja, a njen intenzitet je relativno nizak.

U ovom scenariju, smanjenje struje (Ic) dovodi do napona zajedničkog moda u seriji.strujna petlja, što utiče na prijemni dio. Akomagnetsko poljeprevladava, napon zajedničkog moda generiran u serijskoj petlji uzemljenja dat je formulom:

ΔB u formuli (1) predstavlja promjenu intenziteta magnetske indukcije, mjerenu u Wb/m²S označava površinu u m²².

Zaelektromagnetno polje, kada je električno polje Ako je vrijednost poznata, indukovani napon je dat Jednačinom (2), koja se generalno primjenjuje kada je L=150/F ili manje, gdje F predstavljafrekvencija elektromagnetskih valovau MHz. Ako se prekorači ova granica, proračun maksimalnog indukovanog napona može se pojednostaviti na sljedeći način:

3. Interferencija polja diferencijalnog načina rada: Ovo se odnosi na interferenciju između napajanja iulazni i izlazni vod za napajanjesU stvarnom dizajnu PCB-a, autor je primijetio da je njegov doprinos šumu napajanja minimalan, te se stoga ovdje može izostaviti.
4. Međulinijska interferencijaOva vrsta interferencije odnosi se na interferenciju između dalekovoda. Kada postoji međusobna kapacitivnost (C) i međusobna induktivnost (M1-2) između dva različita paralelna kola, interferencija će se manifestovati u interferiranom kolu ako postoji napon (VC) i struja (IC) u kolu izvora interferencije:
   1. Napon povezan preko kapacitivne impedance dat je jednačinom (4), gdje RV predstavlja paralelnu vrijednostotpor blizu krajaiotpor na dalekom krajuodometani krug.
   2. Serijski otpor putem induktivne veze: Ako u izvoru smetnji postoji šum u uobičajenom režimu, međulinijska smetnja se uglavnom pojavljuje i u uobičajenom i u diferencijalnom režimu.
5. Spojnica dalekovodaOvaj fenomen se javlja kada dalekovod prenosi smetnje na druge uređaje nakon što je bio izloženelektromagnetske smetnje iz AC ili DC struje izvor napajanjaOvo predstavlja indirektni oblik smetnji šuma napajanja na visokofrekventno kolosVažno je napomenuti da šum napajanja ne mora nužno biti samogeneriran, već može biti i rezultat vanjske indukcije smetnji, što dovodi do superponiranja (zračenog ili provedenog) šuma koji sam generira, čime se ometaju druga kola ili uređaji.

• Protumjere za uklanjanje smetnji uzrokovanih šumom napajanja

Uzimajući u obzir različite manifestacije i uzroke interferencije šuma napajanja analizirane gore, uslovi koji dovode do šuma napajanja mogu se specifično poremetiti, efikasno suzbijajući interferenciju. Preporučuju se sljedeća rješenja:

• Pažnja naPloča kroz rupus: Prolazne rupe zahtijevajuotvor za graviranjenasloj napajanja kako bi se prilagodio njihovom prolazu. Ako je otvor energetskog sloja prevelik, to može utjecati na signalnu petlju, prisiljavajući signal da zaobiđe i povećavajući površinu petlje i šum. Ako su određene signalne linije koncentrirane blizu otvora i dijele ovu petlju, zajednička impedancija može dovesti do preslušavanja.
• Dovoljno uzemljenja za kablove: Svaki signal zahtijeva vlastitu namjensku signalnu petlju, pri čemu površina signala i petlje treba biti što manja, osiguravajući paralelno poravnanje.
• Postavljanje filtera za šum napajanja: Ovaj filter efikasno potiskuje šum internog napajanja, poboljšavajući sistemprotiv interferencije i sigurnost. Služi kao dvosmjernaRF filter, filtrirajući smetnje buke unesene iz električne mreže (sprečavajući smetnje od drugih uređaja) i buku generiranu od strane samog uređaja (kako bi se izbjegle smetnje s drugim uređajima), kao i smetnje u common modu između različitih načina rada.
• Izolacija napajanjaTransformatorOvo izoluje uzemljenu petlju uobičajenog modapetlja napajanja ili signalni kabel, efikasno odvajajući struju petlje zajedničkog moda generiranu na visokim frekvencijama.
• Regulacija napajanja: Vraćanje čistijeg napajanja može značajno smanjiti buku napajanja.
• Ožičenje: Ulazne i izlazne linije napajanja trebaju biti dalje od ruba dielektrične ploče kako bi se izbjeglo stvaranje zračenja i ometanje drugih strujnih kola ili opreme.
• Odvojena analogna i digitalna napajanja: Visokofrekventni uređaji su uglavnom vrlo osjetljivi na digitalni šum, tako da bi ih trebalo izolovati i spojiti na ulazu napajanja. Ako signal treba da prelazi i analognu i digitalnu oblast, petlja se može postaviti preko signala kako bi se smanjila površina petlje.
• Izbjegavajte preklapanje odvojenih napajanja između različitih slojeva: Pokušajte ih rasporediti kako biste spriječili da se šum napajanja lako prenese kroz parazitski kapacitet.
• Komponente osjetljive na izolaciju: Komponente poput fazno zaključanih petlji (PLL) vrlo su osjetljive na šum napajanja i treba ih držati što dalje od napajanja.
• Postavljanje kabla za napajanje: Postavljanje kabla za napajanje duž signalnog voda može smanjiti petlju signala i postići smanjenje šuma.
• Uzemljenje obilaznog puta: Da bi se spriječilo akumuliranje šuma uzrokovanog smetnjama napajanja na štampanoj ploči i smetnjama vanjskog napajanja, obilazni put se može uzemljiti na putu smetnji (isključujući zračenje), što omogućava da se šum zaobiđe u zemlju i izbjegne smetnje s drugim uređajima i opremom.

Zaključno:Šum napajanja, bilo da se generira direktno ili indirektno iz napajanja, ometa strujno kolo. Prilikom suzbijanja njegovog utjecaja na strujno kolo, treba slijediti opći princip: minimizirati utjecaj šuma napajanja na strujno kolo, a istovremeno smanjiti utjecaj vanjskih faktora ili strujnog kola na napajanje kako bi se spriječila degradacija šuma napajanja.