Análise e mitigación do ruído da fonte de alimentación no proceso de deseño de PCB de alta frecuencia

En PCB de alta frecuencias, o ruído da fonte de alimentación destaca como unha forma significativa de interferencia. Este artigo realiza unha análise exhaustiva das características e orixes do ruído da fonte de alimentación en placas de circuíto impreso de alta frecuencia e ofrece solucións prácticas e eficaces baseadas en aplicacións de enxeñaría.

A.Análise do ruído da fonte de alimentación

O ruído da fonte de alimentación refírese ao ruído xerado ou interrompido pola propia fonte de alimentación. Esta interferencia é evidente nos seguintes aspectos:

1. Ruído distribuído resultante doimpedancia inherente da fonte de alimentación. Nos circuítos de alta frecuencia, o ruído da fonte de alimentación afecta significativamente os sinais de alta frecuencia. Polo tanto, o requisito inicial é un baixo ruídofonte de alimentaciónIgualmente cruciais son un terreo limpo e a subministración de enerxía.

Nun escenario ideal, a fonte de alimentación seríasen impedancia, o que resulta en ausencia de ruído. Non obstante, na práctica, a fonte de alimentación posúe unha determinada impedancia, que se distribúe por toda a fonte de alimentación, o que leva á superposición de ruído. Polo tanto, débense facer esforzos para minimizar a impedancia da fonte de alimentación. É preferible ter un dedicado avión de potenciaeplano de terraNo deseño de circuítos de alta frecuencia, xeralmente é máis eficaz deseñar a fonte de alimentación en capas en lugar de en formato de bus, garantindo que o bucle siga consistentemente a ruta coa menor impedancia. Ademais, a placa de alimentación proporciona unbucle de sinalpara todos os sinais xerados e recibidos na placa de circuíto impreso, minimizando así o bucle de sinal e reducindo o ruído.

2. Interferencia de campo en modo común: este tipo de interferencia refírese ao ruído entre a fonte de alimentación e a terra. Xorde da interferencia causada por un bucle formado polo circuíto interrompido e a tensión de modo común resultante da superficie de referencia común. A magnitude depende dos campos eléctrico e magnético relativos e a súa intensidade é relativamente baixa.

Neste escenario, a diminución da corrente (Ic) leva a unha tensión de modo común en seriebucle de corrente, impactando na sección receptora. Se ocampo magnéticopredomina, a tensión de modo común xerada no bucle de terra en serie vén dada pola fórmula:

ΔB na fórmula (1) representa o cambio na intensidade da indución magnética, medido en Wb/m²; S denota a área en m²².

Para un/unhacampo electromagnético, cando o/a campo eléctrico coñécese o valor, a tensión inducida vén dada pola ecuación (2), que é xeralmente aplicable cando L=150/F ou menos, sendo F o que representafrecuencia de ondas electromagnéticasen MHz. Se se supera este límite, o cálculo da tensión inducida máxima pódese simplificar do seguinte xeito:

3. Interferencia de campo en modo diferencial: refírese á interferencia entre a fonte de alimentación e oliña de alimentación de entrada e saídasNo deseño real de PCB, o autor observou que a súa contribución ao ruído da fonte de alimentación é mínima e, polo tanto, pódese omitir aquí.
4. Interferencia entre liñasEste tipo de interferencia refírese á interferencia entre liñas eléctricas. Cando hai capacitancia mutua (C) e inductancia mutua (M1-2) entre dous circuítos paralelos diferentes, a interferencia manifestarase no circuíto interferido se hai tensión (VC) e corrente (IC) no circuíto fonte de interferencia:
   1. A tensión acoplada a través da impedancia capacitiva vén dada pola ecuación (4), onde RV representa o valor paralelo doresistencia de extremo próximoe oresistencia de extremo afastadodo/dacircuíto interferido.
   2. Resistencia en serie mediante acoplamento indutivo: se hai ruído de modo común na fonte de interferencia, a interferencia entre liñas xeralmente aparece tanto en modo común como en modo diferencial.
5. Acoplamento de liña eléctricaEste fenómeno ocorre cando a liña eléctrica transmite interferencias a outros dispositivos despois de estar sometida ainterferencia electromagnética de CA ou CC fonte de enerxíaIsto representa unha forma indirecta de interferencia de ruído da fonte de alimentación circuíto de alta frecuenciasÉ importante ter en conta que o ruído da fonte de alimentación pode non ser necesariamente autoxerado, senón que tamén podería ser o resultado da indución de interferencias externas, o que leva á superposición (radiado ou conducido) do ruído xerado por ela mesma, interferindo así con outros circuítos ou dispositivos.

• Contramedidas para eliminar a interferencia de ruído da fonte de alimentación

Tendo en conta as diversas manifestacións e causas da interferencia do ruído da fonte de alimentación analizadas anteriormente, as condicións que provocan o ruído da fonte de alimentación poden interromperse especificamente, suprimindo eficazmente a interferencia. Recoméndanse as seguintes solucións:

• Atención aBuraco pasante da placas: Os orificios pasantes requirenabertura de gravados nocapa de subministración de enerxía para acomodar a súa pasaxe. Se a abertura da capa de potencia é demasiado grande, pode afectar o bucle de sinal, forzando o sinal a derivarse e aumentando a área do bucle e o ruído. Se certas liñas de sinal se concentran preto da abertura e comparten este bucle, a impedancia común pode provocar diafonía.
• Cable de terra suficiente para cables: cada sinal require o seu propio bucle de sinal dedicado, mantendo a área do sinal e do bucle o máis pequena posible, garantindo un aliñamento paralelo.
• Colocación do filtro de ruído da fonte de alimentación: este filtro suprime eficazmente o ruído interno da fonte de alimentación, mellorando o sistemaantiinterferencias e seguridade. Serve como un sistema bidireccionalfiltro de radiofrecuencia, filtrando as interferencias de ruído introducidas pola liña eléctrica (evitando interferencias doutros dispositivos) e o ruído xerado por ela mesma (para evitar interferencias con outros dispositivos), así como as interferencias de modo común entre modos.
• Illamento de enerxíaTransformadorIsto illa o bucle de terra de modo común docable de sinal de bucle de alimentación, separando eficazmente a corrente de bucle de modo común xerada a altas frecuencias.
• Regulación de enerxía: Restaurar unha fonte de alimentación máis limpa pode reducir significativamente o ruído da fonte de alimentación.
• Cableado: As liñas de entrada e saída da fonte de alimentación deben manterse lonxe do bordo da placa dieléctrica para evitar a xeración de radiación e a interferencia con outros circuítos ou equipos.
• Fontes de alimentación analóxicas e dixitais separadas: os dispositivos de alta frecuencia adoitan ser moi sensibles ao ruído dixital, polo que os dous deben illarse e conectarse xuntos na entrada da fonte de alimentación. Se un sinal precisa cruzar os dominios analóxico e dixital, pódese colocar un bucle no sinal para reducir a área do bucle.
• Evite a superposición de fontes de alimentación separadas entre diferentes capas: intente escalonalas para evitar que o ruído da fonte de alimentación se acople facilmente a través de capacitancia parasita.
• Illar os compoñentes sensibles: os compoñentes como os bucles de bloqueo de fase (PLL) son moi sensibles ao ruído da fonte de alimentación e deben manterse o máis lonxe posible da fonte de alimentación.
• Colocación do cable de alimentación: colocar unha liña de alimentación xunto á liña de sinal pode reducir o bucle de sinal e conseguir a redución do ruído.
• Conexión a terra da ruta de derivación: Para evitar a acumulación de ruído causado pola interferencia da fonte de alimentación na placa de circuíto e a interferencia da fonte de alimentación externa, a ruta de derivación pódese conectar a terra na ruta de interferencia (excluíndo a radiación), o que permite que o ruído se desvíe á terra e evita interferencias con outros dispositivos e equipos.

En conclusión:O ruído da fonte de alimentación, xa sexa xerado directa ou indirectamente pola fonte de alimentación, interfere co circuíto. Ao suprimir a súa influencia no circuíto, débese seguir un principio xeral: minimizar o impacto do ruído da fonte de alimentación no circuíto e, ao mesmo tempo, reducir a influencia de factores externos ou do circuíto na fonte de alimentación para evitar a degradación do ruído da fonte de alimentación.