Analyse und Minderung von Netzteilrauschen im Hochfrequenz-Leiterplatten-Designprozess

In Hochfrequenz-LeiterplatteNetzteilrauschen stellt eine bedeutende Störgröße dar. Dieser Artikel analysiert umfassend die Eigenschaften und Ursachen von Netzteilrauschen in Hochfrequenz-Leiterplatten und bietet praxisnahe und effektive Lösungen basierend auf technischen Anwendungen.

A.Analyse des Netzteilrauschens

Netzteilstörungen bezeichnen Störungen, die vom Netzteil selbst erzeugt oder verursacht werden. Diese Störungen äußern sich in folgenden Aspekten:

1. Verteiltes Rauschen, das aus derinhärente Impedanz des Netzteils. In Hochfrequenzschaltungen beeinflusst das Netzteilrauschen die Hochfrequenzsignale erheblich. Daher ist eine rauscharme Stromversorgung die Grundvoraussetzung.StromversorgungEbenso wichtig sind eine saubere Erdung und Stromversorgung.

Im Idealfall wäre die StromversorgungimpedanzfreiDadurch entsteht kein Rauschen. In der Praxis besitzt das Netzteil jedoch eine gewisse Impedanz, die sich über das gesamte Netzteil verteilt und so zu Rauschen führt. Daher sollten Anstrengungen unternommen werden, die Impedanz des Netzteils zu minimieren. Ein dedizierter Netzteilanschluss ist hierfür ideal. StromversorgungsebeneUndGrundflächeBei der Entwicklung von Hochfrequenzschaltungen ist es im Allgemeinen effektiver, die Stromversorgung in Schichten anstatt in Bus-Bauweise zu realisieren, um sicherzustellen, dass die Schleife stets dem Pfad mit der geringsten Impedanz folgt. Darüber hinaus bietet die Stromversorgungsplatine eineSignalschleifefür alle auf der Leiterplatte erzeugten und empfangenen Signale, wodurch die Signalschleife minimiert und das Rauschen reduziert wird.

2. Gleichtaktstörungen: Diese Art von Störung betrifft das Rauschen zwischen Stromversorgung und Masse. Sie entsteht durch die Interferenz einer Schleife, die durch den gestörten Stromkreis und die Gleichtaktspannung der gemeinsamen Bezugsfläche gebildet wird. Die Stärke der Störung hängt von den relativen elektrischen und magnetischen Feldern ab, ihre Intensität ist jedoch relativ gering.

In diesem Szenario führt die Verringerung des Stroms (Ic) zu einer Gleichtaktspannung in der Reihe.Stromschleifewas sich auf den Empfangsbereich auswirkt. Wenn dieMagnetfeldÜberwiegt die Gleichtaktspannung, die in der seriellen Masseschleife erzeugt wird, ergibt sich aus der folgenden Formel:

ΔB in Formel (1) stellt die Änderung der magnetischen Induktionsstärke dar, gemessen in Wb/m².²S bezeichnet die Fläche in m².²Die

Für einenelektromagnetisches Feld, wenn die elektrisches Feld Wenn der Wert bekannt ist, ergibt sich die induzierte Spannung aus Gleichung (2), die im Allgemeinen anwendbar ist, wenn L = 150/F oder kleiner ist, wobei F den Wert darstellt.Frequenz der elektromagnetischen Wellein MHz. Wird dieser Grenzwert überschritten, vereinfacht sich die Berechnung der maximal induzierten Spannung wie folgt:

3. Differenzielle Modusfeldstörung: Dies bezieht sich auf die Interferenz zwischen dem Netzteil und demEingangs- und AusgangsstromleitungSDer Autor stellte fest, dass der Beitrag der Leiterplatte zum Netzteilrauschen minimal ist und daher hier vernachlässigt werden kann.
4. Interferenzen zwischen LeitungenDiese Art von Störung betrifft die Interferenz zwischen Stromleitungen. Wenn zwischen zwei verschiedenen parallelen Stromkreisen eine gegenseitige Kapazität (C) und eine gegenseitige Induktivität (M1-2) besteht, manifestiert sich die Störung im gestörten Stromkreis, wenn im Störquellenstromkreis eine Spannung (VC) und ein Strom (IC) vorhanden sind:
   1. Die durch die kapazitive Impedanz eingekoppelte Spannung ist durch Gleichung (4) gegeben, wobei RV den Parallelwert desNahbereichswiderstandund dieWiderstand am fernen Endedergestörter StromkreisDie
   2. Serienwiderstand durch induktive Kopplung: Wenn in der Störquelle Gleichtaktstörungen auftreten, treten die Interferenzen zwischen den Leitungen im Allgemeinen sowohl im Gleichtakt- als auch im Gegentaktmodus auf.
5. Kopplung von StromleitungenDieses Phänomen tritt auf, wenn die Stromleitung nach einer bestimmten Belastung Störungen an andere Geräte überträgt.elektromagnetische Störungen von Wechsel- oder Gleichstrom StromquelleDies stellt eine indirekte Form von Störungen durch Netzteilrauschen dar. HochfrequenzschaltungSWichtig ist zu beachten, dass Netzteilrauschen nicht unbedingt selbst erzeugt sein muss, sondern auch durch externe Störungen entstehen kann, die zur Überlagerung (abgestrahlt oder leitungsgebunden) des selbst erzeugten Rauschens führen und dadurch andere Schaltungen oder Geräte stören.

• Gegenmaßnahmen zur Beseitigung von Störungen durch Netzteile

Unter Berücksichtigung der verschiedenen Erscheinungsformen und Ursachen von Netzteilstörungen, die oben analysiert wurden, können die Bedingungen, die zu Netzteilstörungen führen, gezielt gestört und die Störungen somit wirksam unterdrückt werden. Folgende Lösungen werden empfohlen:

• AchtungDurchgangslochs: Durchgangslöcher erfordernÄtzöffnungs auf derStromversorgungsschicht Um den Signaldurchgang zu ermöglichen, kann eine zu große Öffnung in der Stromversorgungsschicht die Signalschleife beeinträchtigen, wodurch das Signal einen Bypass erzwingt und die Schleifenfläche sowie das Rauschen erhöht werden. Sind bestimmte Signalleitungen in der Nähe der Öffnung konzentriert und teilen sie sich diese Schleife, kann die gemeinsame Impedanz zu Übersprechen führen.
• Ausreichend Erdungsdraht für Kabel: Jedes Signal benötigt eine eigene Signalschleife, wobei die Signal- und Schleifenfläche so klein wie möglich gehalten werden muss, um eine parallele Ausrichtung zu gewährleisten.
• Platzierung des Netzteil-Rauschfilters: Dieser Filter unterdrückt effektiv interne Netzteilstörungen und verbessert so das System.Interferenzschutz und Sicherheit. Es dient als Zwei-Wege-System.HF-Filter, wobei Störungen aus der Stromleitung (um Störungen durch andere Geräte zu verhindern) und vom Gerät selbst erzeugte Störungen (um Störungen durch andere Geräte zu vermeiden) sowie Gleichtaktstörungen herausgefiltert werden.
• StromisolierungTransformatorDies isoliert die Gleichtakt-Masseschleife desStromversorgungsschleifen-Signalkabelwodurch der bei hohen Frequenzen erzeugte Gleichtaktstrom effektiv getrennt wird.
• Stromregelung: Die Wiederherstellung einer saubereren Stromversorgung kann das Netzteilrauschen deutlich reduzieren.
• Verdrahtung: Die Eingangs- und Ausgangsleitungen des Netzteils sollten vom Rand der dielektrischen Platine ferngehalten werden, um die Erzeugung von Strahlung und Störungen anderer Schaltungen oder Geräte zu vermeiden.
• Getrennte analoge und digitale Stromversorgungen: Hochfrequenzgeräte reagieren im Allgemeinen sehr empfindlich auf digitales Rauschen. Daher sollten die beiden Bereiche voneinander getrennt und am Eingang der Stromversorgung miteinander verbunden werden. Falls ein Signal sowohl den analogen als auch den digitalen Bereich durchlaufen muss, kann eine Schleife über das Signal gelegt werden, um die Schleifenfläche zu reduzieren.
• Vermeiden Sie überlappende separate Stromversorgungen zwischen verschiedenen Schichten: Versuchen Sie, diese versetzt anzuordnen, um zu verhindern, dass Netzteilstörungen leicht über parasitäre Kapazitäten eingekoppelt werden.
• Empfindliche Bauteile isolieren: Bauteile wie Phasenregelschleifen (PLLs) reagieren sehr empfindlich auf Störungen im Netzteil und sollten daher so weit wie möglich vom Netzteil entfernt platziert werden.
• Platzierung des Netzkabels: Durch die Verlegung des Netzkabels neben dem Signalkabel lassen sich Signalschleifen reduzieren und Rauschunterdrückung erreichen.
• Erdung des Bypass-Pfads: Um eine Ansammlung von Störungen durch die Stromversorgung auf der Leiterplatte und durch externe Stromversorgungsstörungen zu verhindern, kann der Bypass-Pfad auf dem Störpfad (ausgenommen Strahlung) geerdet werden, wodurch die Störungen zur Erde abgeleitet werden und Störungen mit anderen Geräten und Anlagen vermieden werden.

Abschließend:Netzteilstörungen, ob direkt oder indirekt vom Netzteil erzeugt, beeinträchtigen die Schaltung. Um deren Einfluss auf die Schaltung zu minimieren, sollte ein allgemeines Prinzip beachtet werden: Die Auswirkungen von Netzteilstörungen auf die Schaltung sollten minimiert werden, während gleichzeitig der Einfluss externer Faktoren oder der Schaltung selbst auf das Netzteil reduziert wird, um eine Verschlechterung der Netzteilstörungen zu verhindern.