Anàlisi i mitigació del soroll de la font d'alimentació en el procés de disseny de PCB d'alta freqüència

En PCB d'alta freqüènciaEl soroll de la font d'alimentació destaca com una forma important d'interferència. Aquest article realitza una anàlisi exhaustiva de les característiques i els orígens del soroll de la font d'alimentació en plaques de circuits impresos d'alta freqüència i ofereix solucions pràctiques i efectives basades en aplicacions d'enginyeria.

A.Anàlisi del soroll de la font d'alimentació

El soroll de la font d'alimentació fa referència al soroll generat o interromput per la pròpia font d'alimentació. Aquesta interferència es fa evident en els aspectes següents:

1. Soroll distribuït resultant de laimpedància inherent de la font d'alimentació. En els circuits d'alta freqüència, el soroll de la font d'alimentació afecta significativament els senyals d'alta freqüència. Per tant, el requisit inicial és un baix sorollfont d'alimentacióIgualment crucials són un terreny net i el subministrament elèctric.

En un escenari ideal, la font d'alimentació seriasense impedància, cosa que no genera soroll. Tanmateix, a la pràctica, la font d'alimentació posseeix una certa impedància, que es distribueix per tota la font d'alimentació, cosa que provoca la superposició de soroll. Per tant, s'haurien de fer esforços per minimitzar la impedància de la font d'alimentació. És preferible tenir un dedicat avió elèctricipla de terraEn el disseny de circuits d'alta freqüència, generalment és més eficaç dissenyar la font d'alimentació en capes en lloc d'en format de bus, garantint que el bucle segueixi constantment el camí amb la mínima impedància. A més, la placa d'alimentació proporciona unbucle de senyalper a tots els senyals generats i rebuts a la PCB, minimitzant així el bucle de senyal i reduint el soroll.

2. Interferència de camp de mode comú: Aquest tipus d'interferència es refereix al soroll entre la font d'alimentació i la terra. Sorgeix de la interferència causada per un bucle format pel circuit interromput i la tensió de mode comú resultant de la superfície de referència comuna. La magnitud depèn dels camps elèctric i magnètic relatius, i la seva intensitat és relativament baixa.

En aquest escenari, la disminució del corrent (Ic) condueix a una tensió de mode comú en sèriebucle de corrent, impactant la secció receptora. Si elcamp magnèticpredomina, la tensió de mode comú generada al bucle de terra en sèrie ve donada per la fórmula:

ΔB a la fórmula (1) representa el canvi en la intensitat d'inducció magnètica, mesurat en Wb/m²²; S denota l'àrea en m²².

Per a uncamp electromagnètic, quan el camp elèctric Si es coneix el valor, el voltatge induït ve donat per l'equació (2), que generalment és aplicable quan L=150/F o menys, on F representa elfreqüència d'ones electromagnètiquesen MHz. Si se supera aquest límit, el càlcul de la tensió induïda màxima es pot simplificar de la manera següent:

3. Interferència de camp de mode diferencial: es refereix a la interferència entre la font d'alimentació i ellínia d'alimentació d'entrada i sortidasEn el disseny real de PCB, l'autor va observar que la seva contribució al soroll de la font d'alimentació és mínima i, per tant, es pot ometre aquí.
4. Interferència entre líniesAquest tipus d'interferència pertany a la interferència entre línies elèctriques. Quan hi ha una capacitància mútua (C) i una inductància mútua (M1-2) entre dos circuits paral·lels diferents, la interferència es manifestarà al circuit interferit si hi ha voltatge (VC) i corrent (IC) al circuit font d'interferència:
   1. El voltatge acoblat a través de la impedància capacitiva ve donat per l'equació (4), on RV representa el valor paral·lel de laresistència properai elresistència de l'extrem llunyàdelcircuit interferit.
   2. Resistència en sèrie mitjançant acoblament inductiu: si hi ha soroll de mode comú a la font d'interferència, la interferència entre línies generalment apareix tant en mode comú com en mode diferencial.
5. Acoblament de línia elèctricaAquest fenomen es produeix quan la línia elèctrica transmet interferències a altres dispositius després d'haver estat sotmesa ainterferències electromagnètiques de CA o CC font d'energiaAixò representa una forma indirecta d'interferència de soroll de la font d'alimentació circuit d'alta freqüènciasÉs important tenir en compte que el soroll de la font d'alimentació pot no ser necessàriament autogenerat, sinó que també podria ser el resultat d'una inducció d'interferències externes, cosa que provoca la superposició (radiada o conduïda) del soroll generat per ella mateixa, interferint així amb altres circuits o dispositius.

• Contramesures per eliminar les interferències de soroll de la font d'alimentació

Tenint en compte les diverses manifestacions i causes de la interferència del soroll de la font d'alimentació analitzades anteriorment, les condicions que provoquen el soroll de la font d'alimentació es poden interrompre específicament, suprimint eficaçment la interferència. Es recomanen les solucions següents:

• Atenció aForat passant per la placas: Els forats passants requereixenobertura de gravats a lacapa de subministrament d'energia per acomodar el seu pas. Si l'obertura de la capa de potència és massa gran, pot afectar el bucle de senyal, forçant que el senyal es desviï i augmentant l'àrea del bucle i el soroll. Si certes línies de senyal es concentren prop de l'obertura i comparteixen aquest bucle, la impedància comuna pot provocar diafonia.
• Cable de terra suficient per a cables: cada senyal requereix el seu propi bucle de senyal dedicat, mantenint el senyal i l'àrea del bucle el més petits possible, garantint un alineament paral·lel.
• Col·locació del filtre de soroll de la font d'alimentació: aquest filtre suprimeix eficaçment el soroll intern de la font d'alimentació, millorant el sistemaanti-interferències i seguretat. Serveix com a bidireccionalFiltre de radiofreqüència, filtrant les interferències de soroll introduïdes per la línia elèctrica (evitant interferències d'altres dispositius) i el soroll generat per ella mateixa (per evitar interferències amb altres dispositius), així com les interferències de mode comú en mode creuat.
• Aïllament d'energiaTransformadorAixò aïlla el bucle de terra de mode comú delbucle d'alimentació o cable de senyal, separant eficaçment el corrent de bucle de mode comú generat a altes freqüències.
• Regulació de l'alimentació: Restaurar una font d'alimentació més neta pot reduir significativament el soroll de la font d'alimentació.
• Cablejat: Les línies d'entrada i sortida de la font d'alimentació s'han de mantenir allunyades de la vora de la placa dielèctrica per evitar generar radiació i interferir amb altres circuits o equips.
• Fonts d'alimentació analògiques i digitals separades: Els dispositius d'alta freqüència generalment són molt sensibles al soroll digital, per la qual cosa els dos s'han d'aïllar i connectar junts a l'entrada de la font d'alimentació. Si un senyal ha de creuar els dominis analògic i digital, es pot col·locar un bucle a través del senyal per reduir l'àrea del bucle.
• Eviteu la superposició de fonts d'alimentació separades entre diferents capes: Intenteu esglaonar-les per evitar que el soroll de la font d'alimentació s'acobli fàcilment a través de la condensació paràsita.
• Aïllar components sensibles: els components com els bucles de bloqueig de fase (PLL) són molt sensibles al soroll de la font d'alimentació i s'han de mantenir el més allunyats possible de la font d'alimentació.
• Col·locació del cable d'alimentació: Si col·loqueu una línia elèctrica al costat de la línia de senyal, podeu reduir el bucle de senyal i aconseguir una reducció del soroll.
• Connexió a terra de la ruta de derivació: per evitar l'acumulació de soroll causat per interferències de la font d'alimentació a la placa de circuit i interferències de la font d'alimentació externa, la ruta de derivació es pot connectar a terra a la ruta d'interferències (excloent la radiació), permetent que el soroll es derivi a terra i evitant interferències amb altres dispositius i equips.

En conclusió:El soroll de la font d'alimentació, ja sigui generat directament o indirectament per la font d'alimentació, interfereix amb el circuit. A l'hora de suprimir la seva influència en el circuit, s'ha de seguir un principi general: minimitzar l'impacte del soroll de la font d'alimentació en el circuit i, alhora, reduir la influència de factors externs o del circuit en la font d'alimentació per evitar la degradació del soroll de la font d'alimentació.