تحلیل و کاهش نویز منبع تغذیه در فرآیند طراحی برد مدار چاپی فرکانس بالا

در PCB با فرکانس بالانویز منبع تغذیه به عنوان یک شکل قابل توجه از تداخل، برجسته است. این مقاله تجزیه و تحلیل جامعی از ویژگی‌ها و منشأ نویز منبع تغذیه در PCB های فرکانس بالا انجام می‌دهد و راه‌حل‌های عملی و مؤثری را بر اساس کاربردهای مهندسی ارائه می‌دهد.

الف.تحلیل نویز منبع تغذیه

نویز منبع تغذیه به نویزی اشاره دارد که توسط خود منبع تغذیه تولید یا مختل می‌شود. این تداخل در جنبه‌های زیر مشهود است:

1. نویز توزیع شده ناشی ازامپدانس ذاتی از منبع تغذیه. در مدارهای فرکانس بالا، نویز منبع تغذیه به طور قابل توجهی بر سیگنال‌های فرکانس بالا تأثیر می‌گذارد. بنابراین، نیاز اولیه، نویز کم است.منبع تغذیهزمین تمیز و منبع تغذیه نیز به همان اندازه حیاتی هستند.

در یک سناریوی ایده‌آل، منبع تغذیه خواهد بودبدون امپدانسو در نتیجه هیچ نویزی ایجاد نمی‌شود. با این حال، در عمل، منبع تغذیه دارای امپدانس خاصی است که در کل منبع تغذیه توزیع شده و منجر به ایجاد نویز می‌شود. از این رو، باید تلاش شود تا امپدانس منبع تغذیه به حداقل برسد. ترجیح داده می‌شود که یک منبع تغذیه اختصاصی داشته باشید. هواپیمای قدرتوصفحه زمینیدر طراحی مدار با فرکانس بالا، معمولاً طراحی منبع تغذیه به صورت لایه‌ای به جای طراحی به صورت باس، مؤثرتر است و تضمین می‌کند که حلقه به طور مداوم مسیری را با کمترین امپدانس دنبال کند. علاوه بر این، برد تغذیه ... را فراهم می‌کند.حلقه سیگنالبرای تمام سیگنال‌های تولید شده و دریافت شده روی PCB، در نتیجه حلقه سیگنال را به حداقل رسانده و نویز را کاهش می‌دهد.

2. تداخل میدان حالت مشترک: این نوع تداخل مربوط به نویز بین منبع تغذیه و زمین است. این نوع تداخل ناشی از حلقه‌ای است که توسط مدار مختل شده و ولتاژ حالت مشترک ناشی از سطح مرجع مشترک تشکیل شده است. بزرگی آن به میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی نسبی بستگی دارد و شدت آن نسبتاً کم است.

در این سناریو، کاهش جریان (Ic) منجر به ولتاژ حالت مشترک در سری می‌شود.حلقه فعلیکه بر بخش دریافت کننده تأثیر می‌گذارد. اگرمیدان مغناطیسیغالب باشد، ولتاژ حالت مشترک تولید شده در حلقه زمین سری با فرمول زیر داده می‌شود:

ΔB در فرمول (1) نشان دهنده تغییر در شدت القایی مغناطیسی است که بر حسب Wb/m2 اندازه‌گیری می‌شود.^۲S نشان دهنده مساحت بر حسب متر مربع است.^۲.

برای یکمیدان الکترومغناطیسی، هنگامی که میدان الکتریکی اگر مقدار مشخص باشد، ولتاژ القایی توسط معادله (2) داده می‌شود، که عموماً زمانی قابل اجرا است که L=150/F یا کمتر باشد، که در آن F نشان دهندهفرکانس موج الکترومغناطیسیبر حسب مگاهرتز. اگر از این حد تجاوز شود، محاسبه حداکثر ولتاژ القایی را می‌توان به صورت زیر ساده کرد:

3. تداخل میدان حالت دیفرانسیلی: این به تداخل بین منبع تغذیه و ... اشاره دارد.خط برق ورودی و خروجیهادر طراحی PCB واقعی، نویسنده مشاهده کرد که سهم آن در نویز منبع تغذیه حداقل است و بنابراین می‌توان آن را در اینجا حذف کرد.
4. تداخل بین خطوطاین نوع تداخل مربوط به تداخل بین خطوط برق است. هنگامی که بین دو مدار موازی مختلف، خازن متقابل (C) و القای متقابل (M1-2) وجود داشته باشد، در صورت وجود ولتاژ (VC) و جریان (IC) در مدار منبع تداخل، تداخل در مدار تداخل یافته آشکار می‌شود:
   1. ولتاژ کوپل شده از طریق امپدانس خازنی توسط معادله (4) داده شده است، که در آن RV نشان دهنده مقدار موازی ... است.مقاومت نزدیک به انتهاومقاومت دوربردازمدار تداخلی.
   2. مقاومت سری از طریق کوپلینگ القایی: اگر نویز حالت مشترک در منبع تداخل وجود داشته باشد، تداخل بین خطوط عموماً در هر دو حالت مشترک و تفاضلی ظاهر می‌شود.
5. کوپلینگ خط برقاین پدیده زمانی رخ می‌دهد که خط برق پس از قرار گرفتن در معرض امواج، تداخل‌هایی را به دستگاه‌های دیگر منتقل می‌کند.تداخل الکترومغناطیسی از جریان متناوب یا مستقیم منبع تغذیهاین نشان دهنده یک نوع غیرمستقیم از تداخل نویز منبع تغذیه است مدار فرکانس بالاهالازم به ذکر است که نویز منبع تغذیه لزوماً نمی‌تواند خود به خود تولید شود، بلکه می‌تواند ناشی از القای تداخل خارجی نیز باشد که منجر به همپوشانی (تابشی یا هدایتی) نویز تولید شده توسط خود منبع تغذیه شده و در نتیجه با مدارها یا دستگاه‌های دیگر تداخل ایجاد می‌کند.

• اقدامات متقابل برای از بین بردن تداخل نویز منبع تغذیه

با توجه به انواع جلوه‌ها و علل تداخل نویز منبع تغذیه که در بالا مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت، می‌توان شرایطی را که منجر به نویز منبع تغذیه می‌شوند، به طور خاص مختل کرد و به طور مؤثر تداخل را سرکوب نمود. راه‌حل‌های زیر توصیه می‌شود:

• توجه بهتخته از طریق سوراخها: از طریق سوراخ ها ضروری استدهانه حکاکیها رویلایه منبع تغذیه برای تطبیق با عبور آنها. اگر دهانه لایه قدرت خیلی بزرگ باشد، می‌تواند بر حلقه سیگنال تأثیر بگذارد و سیگنال را مجبور به عبور از مسیر دیگر کند و مساحت حلقه و نویز را افزایش دهد. اگر خطوط سیگنال خاصی در نزدیکی دهانه متمرکز شده و این حلقه را به اشتراک بگذارند، امپدانس مشترک می‌تواند منجر به تداخل شود.
• سیم زمین کافی برای کابل‌ها: هر سیگنال به حلقه سیگنال اختصاصی خود نیاز دارد، به طوری که ناحیه سیگنال و حلقه تا حد امکان کوچک نگه داشته شود و تراز موازی تضمین شود.
• قرار دادن فیلتر نویز منبع تغذیه: این فیلتر به طور موثری نویز داخلی منبع تغذیه را سرکوب می‌کند و عملکرد سیستم را بهبود می‌بخشد.ضد تداخل و ایمنی. این به عنوان یک رابطه دو طرفه عمل می‌کندفیلتر RF، نویز تداخلی ایجاد شده از خط برق (جلوگیری از تداخل با سایر دستگاه‌ها) و نویز تولید شده توسط خود دستگاه (برای جلوگیری از تداخل با سایر دستگاه‌ها) و همچنین نویز تداخل حالت مشترک بین حالت‌های مختلف را فیلتر می‌کند.
• ایزولاسیون برقترانسفورماتور: این حلقه زمین حالت مشترک را ایزوله می‌کند.کابل سیگنال حلقه منبع تغذیه، به طور موثر جریان حلقه حالت مشترک تولید شده در فرکانس‌های بالا را جدا می‌کند.
• تنظیم توان: بازیابی یک منبع تغذیه پاک‌تر می‌تواند نویز منبع تغذیه را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.
• سیم‌کشی: خطوط ورودی و خروجی منبع تغذیه باید از لبه برد دی‌الکتریک دور نگه داشته شوند تا از تولید تشعشع و تداخل با سایر مدارها یا تجهیزات جلوگیری شود.
• منابع تغذیه آنالوگ و دیجیتال جداگانه: دستگاه‌های فرکانس بالا معمولاً به نویز دیجیتال بسیار حساس هستند، بنابراین این دو باید ایزوله شده و در ورودی منبع تغذیه به یکدیگر متصل شوند. اگر سیگنالی نیاز به عبور از هر دو حوزه آنالوگ و دیجیتال داشته باشد، می‌توان یک حلقه در سراسر سیگنال قرار داد تا مساحت حلقه کاهش یابد.
• از همپوشانی منابع تغذیه جداگانه بین لایه‌های مختلف خودداری کنید: سعی کنید آنها را به صورت پلکانی قرار دهید تا از اتصال آسان نویز منبع تغذیه از طریق خازن‌های انگلی جلوگیری شود.
• قطعات حساس را ایزوله کنید: قطعاتی مانند حلقه‌های قفل فاز (PLL) به نویز منبع تغذیه بسیار حساس هستند و باید تا حد امکان از منبع تغذیه دور نگه داشته شوند.
• قرار دادن سیم برق: قرار دادن یک خط برق در کنار خط سیگنال، می‌تواند حلقه سیگنال را کاهش داده و به کاهش نویز منجر شود.
• اتصال زمین مسیر بای‌پس: برای جلوگیری از نویز انباشته شده ناشی از تداخل منبع تغذیه روی برد مدار و تداخل منبع تغذیه خارجی، مسیر بای‌پس می‌تواند روی مسیر تداخل (به استثنای تابش) به زمین متصل شود، که به نویز اجازه می‌دهد تا به زمین بای‌پس شود و از تداخل با سایر دستگاه‌ها و تجهیزات جلوگیری شود.

در نتیجه گیری:نویز منبع تغذیه، چه مستقیم و چه غیرمستقیم از منبع تغذیه تولید شود، با مدار تداخل می‌کند. هنگام سرکوب تأثیر آن بر مدار، باید یک اصل کلی رعایت شود: به حداقل رساندن تأثیر نویز منبع تغذیه بر مدار و در عین حال کاهش تأثیر عوامل خارجی یا مدار بر منبع تغذیه برای جلوگیری از تخریب نویز منبع تغذیه.