Analýza a zmírnění šumu napájecího zdroje v procesu návrhu vysokofrekvenčních desek plošných spojů

V vysokofrekvenční deska plošných spojůŠum napájecího zdroje představuje významnou formu rušení. Tento článek provádí komplexní analýzu charakteristik a původu šumu napájecího zdroje ve vysokofrekvenčních deskách plošných spojů a nabízí praktická a efektivní řešení založená na inženýrských aplikacích.

A.Analýza šumu napájecího zdroje

Šum napájecího zdroje označuje šum generovaný nebo rušený samotným napájecím zdrojem. Toto rušení se projevuje v následujících aspektech:

1. Rozložený šum způsobenýinherentní impedance napájecího zdroje. Ve vysokofrekvenčních obvodech má šum napájecího zdroje významný vliv na vysokofrekvenční signály. Proto je počátečním požadavkem nízkošumový...napájeníStejně důležité jsou čisté zemní plochy a napájení.

V ideálním případě by napájecí zdroj bylbez impedance, což má za následek žádný šum. V praxi však má napájecí zdroj určitou impedanci, která je rozložena po celém zdroji, což vede k překrývání šumu. Proto je třeba usilovat o minimalizaci impedance napájecího zdroje. Je vhodnější mít vyhrazený výkonové letadloapozemní rovinaPři návrhu vysokofrekvenčních obvodů je obecně efektivnější navrhovat napájecí zdroj ve vrstvách než ve formátu sběrnice, což zajišťuje, že smyčka konzistentně sleduje cestu s nejmenší impedancí. Napájecí deska navíc poskytuje...signální smyčkapro všechny signály generované a přijímané na desce plošných spojů, čímž se minimalizuje signálová smyčka a snižuje šum.

2. Rušení soufázového pole: Tento typ rušení se týká šumu mezi napájecím zdrojem a zemí. Vzniká v důsledku rušení způsobeného smyčkou vytvořenou narušeným obvodem a soufázovým napětím vznikajícím na společném referenčním povrchu. Jeho velikost závisí na relativních elektrických a magnetických polích a jeho intenzita je relativně nízká.

V tomto scénáři vede pokles proudu (Ic) k soufázovému napětí v sérii.proudová smyčka, což má dopad na přijímací sekci. Pokudmagnetické polepřevládá, je soufázové napětí generované v sériové zemní smyčce dáno vzorcem:

ΔB ve vzorci (1) představuje změnu intenzity magnetické indukce, měřenou ve Wb/m²S označuje plochu v m²².

Proelektromagnetické pole, když elektrické pole Pokud je známa hodnota, indukované napětí je dáno rovnicí (2), která je obecně použitelná, když L=150/F nebo méně, kde F představujefrekvence elektromagnetických vlnv MHz. Pokud je tento limit překročen, lze výpočet maximálního indukovaného napětí zjednodušit následovně:

3. Rušení pole v diferenciálním režimu: Toto se týká rušení mezi napájecím zdrojem avstupní a výstupní napájecí vedenísPři skutečném návrhu desky plošných spojů autor pozoroval, že jeho příspěvek k šumu napájecího zdroje je minimální, a proto jej zde lze vynechat.
4. Interlinkové rušeníTento typ rušení se týká rušení mezi elektrickými vedeními. Pokud existuje vzájemná kapacita (C) a vzájemná indukčnost (M1-2) mezi dvěma různými paralelními obvody, rušení se projeví v rušeném obvodu, pokud je v obvodu zdroje rušení napětí (VC) a proud (IC):
   1. Napětí propojené kapacitní impedancí je dáno rovnicí (4), kde RV představuje paralelní hodnotuodpor blízkého konceaodpor na vzdáleném koncizrušený obvod.
   2. Sériový odpor prostřednictvím indukční vazby: Pokud je ve zdroji rušení přítomen soufázový šum, mezivodičové rušení se obvykle objevuje jak v soufázovém, tak v diferenciálním režimu.
5. Spojka elektrického vedeníK tomuto jevu dochází, když elektrické vedení přenáší rušení do jiných zařízení poté, co bylo vystavenoelektromagnetické rušení ze střídavého nebo stejnosměrného proudu zdroj energieToto představuje nepřímou formu rušení šumem napájecího zdroje. vysokofrekvenční obvodsJe důležité si uvědomit, že šum napájecího zdroje nemusí být nutně generován samotným zdrojem, ale může být také důsledkem vnější rušivé indukce, což vede k superpozici (vyzařovaného nebo vedeného) šumu generovaného samotným zdrojem, a tím ruší jiné obvody nebo zařízení.

• Protiopatření k odstranění rušení šumem napájecího zdroje

Vzhledem k různým projevům a příčinám rušení napájecího zdroje analyzovaným výše lze cíleně narušit podmínky vedoucí k šumu napájecího zdroje a účinně potlačit rušení. Doporučují se následující řešení:

• Pozornost naPrůchozí otvor v desces: Průchozí otvory vyžadujíleptaný otvors navrstva napájení aby se přizpůsobil jejich průchodu. Pokud je otvor výkonové vrstvy příliš velký, může to ovlivnit signálovou smyčku, vynutit obcházení signálu a zvětšit plochu smyčky a šum. Pokud jsou určité signálové linky koncentrovány v blízkosti otvoru a sdílejí tento obvod, může společná impedance vést k přeslechům.
• Dostatečný zemnící vodič pro kabely: Každý signál vyžaduje vlastní vyhrazenou signální smyčku s co nejmenší plochou signálu a smyčky, aby bylo zajištěno paralelní uspořádání.
• Umístění filtru šumu napájecího zdroje: Tento filtr účinně potlačuje vnitřní šum napájecího zdroje a vylepšuje tak systém...proti rušení a bezpečnost. Slouží jako obousměrnýVF filtr, filtrování rušení přiváděného z elektrické sítě (zabraňování rušení od jiných zařízení) a šumu generovaného samotným vedením (aby se zabránilo rušení s jinými zařízeními), jakož i rušení v soufázovém režimu napříč různými režimy.
• Izolace napájeníTransformátor: Tím se izoluje zemní smyčka souhlasného režimunapájecí smyčka nebo signální kabel, čímž se efektivně odděluje proud smyčky v souhlasném režimu generovaný při vysokých frekvencích.
• Regulace napájení: Obnovení čistšího zdroje napájení může výrazně snížit hluk zdroje.
• Zapojení: Vstupní a výstupní vodiče napájecího zdroje by měly být umístěny v dostatečné vzdálenosti od okraje dielektrické desky, aby se zabránilo vzniku záření a rušení jiných obvodů nebo zařízení.
• Samostatné analogové a digitální napájecí zdroje: Vysokofrekvenční zařízení jsou obecně velmi citlivá na digitální šum, proto by měly být oba zdroje izolovány a propojeny na vstupu napájecího zdroje. Pokud signál potřebuje procházet analogovou i digitální doménou, lze přes signál umístit smyčku, aby se zmenšila plocha smyčky.
• Zabraňte překrývání samostatných napájecích zdrojů mezi různými vrstvami: Snažte se je rozmístit střídavě, abyste zabránili snadnému propojení šumu napájecího zdroje přes parazitní kapacitu.
• Součástky citlivé na izolaci: Součástky, jako jsou fázově závěsné smyčky (PLL), jsou vysoce citlivé na šum napájecího zdroje a měly by být udržovány co nejdále od napájecího zdroje.
• Umístění napájecího kabelu: Umístění napájecího kabelu podél signálního kabelu může zredukovat signální smyčku a dosáhnout snížení šumu.
• Uzemnění obtokové cesty: Aby se zabránilo nahromaděnému šumu způsobenému rušením napájení na desce plošných spojů a rušením externího napájení, lze obtokovou cestu uzemnit na rušivé cestě (s výjimkou vyzařování), což umožňuje odvedení šumu do země a zabraňuje rušení s jinými zařízeními a vybavením.

Na závěr:Šum napájecího zdroje, ať už generovaný přímo nebo nepřímo ze zdroje, ruší obvod. Při potlačování jeho vlivu na obvod je třeba dodržovat obecnou zásadu: minimalizovat dopad šumu napájecího zdroje na obvod a zároveň snížit vliv vnějších faktorů nebo obvodu na zdroj, aby se zabránilo degradaci šumu napájecího zdroje.