Análisis y mitigación del ruido de la fuente de alimentación en el proceso de diseño de PCB de alta frecuencia

En PCB de alta frecuenciaEl ruido de la fuente de alimentación se destaca como una forma importante de interferencia. Este artículo realiza un análisis exhaustivo de las características y el origen del ruido de la fuente de alimentación en PCB de alta frecuencia y ofrece soluciones prácticas y eficaces basadas en aplicaciones de ingeniería.

A.Análisis del ruido de la fuente de alimentación

El ruido de la fuente de alimentación se refiere al ruido generado o interrumpido por la propia fuente de alimentación. Esta interferencia se manifiesta en los siguientes aspectos:

1. Ruido distribuido resultante de laimpedancia inherente de la fuente de alimentación. En circuitos de alta frecuencia, el ruido de la fuente de alimentación afecta significativamente las señales de alta frecuencia. Por lo tanto, el requisito inicial es un bajo nivel de ruido.fuente de alimentaciónIgualmente cruciales son una conexión a tierra y un suministro eléctrico limpios.

En un escenario ideal, la fuente de alimentación seríalibre de impedancia, lo que resulta en la ausencia de ruido. Sin embargo, en la práctica, la fuente de alimentación posee cierta impedancia, que se distribuye por toda la fuente, lo que provoca la superposición de ruido. Por lo tanto, se debe procurar minimizar la impedancia de la fuente de alimentación. Es preferible tener un... avión de potenciayplano de tierraEn el diseño de circuitos de alta frecuencia, generalmente es más efectivo diseñar la fuente de alimentación en capas que en formato de bus, lo que garantiza que el bucle siga consistentemente la ruta con la menor impedancia. Además, la placa de alimentación proporciona...bucle de señalpara todas las señales generadas y recibidas en la PCB, minimizando así el bucle de señal y reduciendo el ruido.

2. Interferencia de campo de modo común: Este tipo de interferencia se refiere al ruido entre la fuente de alimentación y la tierra. Se origina por la interferencia causada por un bucle formado por el circuito interrumpido y la tensión de modo común resultante de la superficie de referencia común. Su magnitud depende de los campos eléctrico y magnético relativos, y su intensidad es relativamente baja.

En este escenario, la disminución de la corriente (Ic) conduce a un voltaje de modo común en la serie.bucle de corriente, impactando la sección receptora. Si elcampo magnéticopredomina, el voltaje de modo común generado en el bucle de tierra en serie viene dado por la fórmula:

ΔB en la fórmula (1) representa el cambio en la intensidad de inducción magnética, medida en Wb/m²; S denota el área en m².

Para uncampo electromagnético, cuando el campo eléctrico Si se conoce el valor, el voltaje inducido se da por la ecuación (2), que generalmente es aplicable cuando L = 150/F o menos, donde F representa elfrecuencia de onda electromagnéticaen MHz. Si se supera este límite, el cálculo de la tensión máxima inducida se puede simplificar de la siguiente manera:

3. Interferencia de campo de modo diferencial: se refiere a la interferencia entre la fuente de alimentación y lalínea de alimentación de entrada y salidasEn el diseño de PCB real, el autor observó que su contribución al ruido de la fuente de alimentación es mínima y, por lo tanto, se puede omitir aquí.
4. Interferencia entre líneasEste tipo de interferencia se refiere a la interferencia entre líneas eléctricas. Cuando existe capacitancia mutua (C) e inductancia mutua (M1-2) entre dos circuitos en paralelo diferentes, la interferencia se manifestará en el circuito interferido si hay tensión (VC) y corriente (IC) en el circuito fuente de la interferencia.
   1. El voltaje acoplado a través de la impedancia capacitiva se da por la ecuación (4), donde RV representa el valor paralelo de laresistencia cercana al finaly elresistencia del extremo lejanodelcircuito interferido.
   2. Resistencia en serie mediante acoplamiento inductivo: si hay ruido de modo común en la fuente de interferencia, la interferencia entre líneas generalmente aparece tanto en modo común como en modo diferencial.
5. Acoplamiento de línea eléctrica:Este fenómeno ocurre cuando la línea eléctrica transmite interferencias a otros dispositivos después de estar expuesta ainterferencia electromagnética de CA o CC fuente de energíaEsto representa una forma indirecta de interferencia de ruido de la fuente de alimentación. circuito de alta frecuenciasEs importante tener en cuenta que el ruido de la fuente de alimentación no necesariamente es autogenerado, sino que también podría ser resultado de la inducción de interferencias externas, lo que lleva a la superposición (irradiación o conducción) del ruido generado por ella misma, interfiriendo así con otros circuitos o dispositivos.

• Contramedidas para eliminar la interferencia de ruido de la fuente de alimentación

Considerando las diversas manifestaciones y causas de la interferencia por ruido de la fuente de alimentación analizadas anteriormente, es posible interrumpir específicamente las condiciones que la provocan, suprimiendo eficazmente la interferencia. Se recomiendan las siguientes soluciones:

• Atención aTablero a través del agujeros: Los agujeros pasantes requierenapertura de grabados en elcapa de fuente de alimentación Para facilitar su paso. Si la abertura de la capa de potencia es demasiado grande, puede afectar el bucle de señal, forzando la desviación de la señal y aumentando el área del bucle y el ruido. Si ciertas líneas de señal se concentran cerca de la abertura y comparten este bucle, la impedancia común puede provocar diafonía.
• Cable de tierra suficiente para cables: cada señal requiere su propio bucle de señal dedicado, y el área de la señal y del bucle se mantiene lo más pequeña posible, lo que garantiza una alineación paralela.
• Ubicación del filtro de ruido de la fuente de alimentación: este filtro suprime eficazmente el ruido interno de la fuente de alimentación, mejorando el rendimiento del sistema.antiinterferencia y seguridad. Sirve como un sistema bidireccional.Filtro de RF, filtrando la interferencia de ruido introducida desde la línea eléctrica (evitando interferencias de otros dispositivos) y el ruido generado por él mismo (para evitar interferencias con otros dispositivos), así como la interferencia de modo común entre modos.
• Aislamiento de energíaTransformador:Esto aísla el bucle de tierra de modo común delcable de señal de bucle de fuente de alimentación, separando eficazmente la corriente de bucle de modo común generada a altas frecuencias.
• Regulación de energía: Restaurar una fuente de alimentación más limpia puede reducir significativamente el ruido de la fuente de alimentación.
• Cableado: Las líneas de entrada y salida de la fuente de alimentación deben mantenerse alejadas del borde de la placa dieléctrica para evitar generar radiación e interferir con otros circuitos o equipos.
• Fuentes de alimentación analógicas y digitales independientes: Los dispositivos de alta frecuencia suelen ser muy sensibles al ruido digital, por lo que ambos deben aislarse y conectarse en la entrada de la fuente de alimentación. Si una señal necesita cruzar los dominios analógico y digital, se puede colocar un bucle a través de la señal para reducir el área del bucle.
• Evite superponer fuentes de alimentación independientes entre diferentes capas: intente escalonarlas para evitar que el ruido de la fuente de alimentación se acople fácilmente a través de la capacitancia parásita.
• Aislar los componentes sensibles: los componentes como los bucles de enganche de fase (PLL) son muy sensibles al ruido de la fuente de alimentación y deben mantenerse lo más lejos posible de la fuente de alimentación.
• Colocación del cable de alimentación: colocar un cable de alimentación junto a la línea de señal puede reducir el bucle de señal y lograr una reducción de ruido.
• Puesta a tierra de la ruta de derivación: para evitar la acumulación de ruido causado por la interferencia de la fuente de alimentación en la placa de circuito y la interferencia de la fuente de alimentación externa, la ruta de derivación se puede conectar a tierra en la ruta de interferencia (excluyendo la radiación), lo que permite derivar el ruido a tierra y evitar interferencias con otros dispositivos y equipos.

En conclusión:El ruido de la fuente de alimentación, ya sea generado directa o indirectamente por ella, interfiere con el circuito. Para suprimir su influencia, se debe seguir un principio general: minimizar el impacto del ruido de la fuente de alimentación en el circuito y, al mismo tiempo, reducir la influencia de factores externos o del circuito en la fuente de alimentación para evitar la degradación del ruido.