Analiza i ublažavanje šuma napajanja u procesu dizajna visokofrekventnih PCB-a

U visokofrekventna PCB pločaŠum napajanja ističe se kao značajan oblik smetnji. Ovaj članak provodi sveobuhvatnu analizu karakteristika i podrijetla šuma napajanja u visokofrekventnim tiskanim pločicama te nudi praktična i učinkovita rješenja temeljena na inženjerskim primjenama.

A.Analiza šuma napajanja

Šum napajanja odnosi se na šum koji generira ili poremećuje sam izvor napajanja. Ta smetnja je vidljiva u sljedećim aspektima:

1. Distribuirana buka koja nastaje zboginherentna impedancija napajanja. U visokofrekventnim krugovima, šum napajanja značajno utječe na visokofrekventne signale. Stoga je početni zahtjev niskošumninapajanjeJednako važni su čisto tlo i napajanje.

U idealnom scenariju, napajanje bi bilobez impedancije, što rezultira nedostatkom šuma. Međutim, u praksi, napajanje posjeduje određenu impedanciju koja je raspoređena po cijelom napajanju, što dovodi do superponiranja šuma. Stoga treba uložiti napore kako bi se impedancija napajanja smanjila. Poželjno je imati namjenski pogonska ravninairavnina tlaU dizajnu visokofrekventnih sklopova, općenito je učinkovitije dizajnirati napajanje u slojevima nego u formatu sabirnice, osiguravajući da petlja dosljedno prati putanju s najmanjom impedancijom. Osim toga, ploča za napajanje pruža...signalna petljaza sve signale generirane i primljene na PCB-u, čime se minimizira signalna petlja i smanjuje šum.

2. Interferencija polja zajedničkog načina rada: Ova vrsta interferencije odnosi se na šum između napajanja i uzemljenja. Nastaje zbog interferencije uzrokovane petljom koju tvori poremećeni strujni krug i naponom zajedničkog načina rada koji proizlazi iz zajedničke referentne površine. Magnituda ovisi o relativnim električnim i magnetskim poljima, a intenzitet je relativno nizak.

U ovom scenariju, smanjenje struje (Ic) dovodi do napona zajedničkog načina rada u serijistrujna petlja, što utječe na prijemni dio. Akomagnetsko poljeprevladava, napon zajedničkog načina rada generiran u serijskoj petlji uzemljenja dan je formulom:

ΔB u formuli (1) predstavlja promjenu intenziteta magnetske indukcije, mjerenu u Wb/m²S označava površinu u m²².

Zaelektromagnetsko polje, kada je električno polje Ako je vrijednost poznata, inducirani napon dan je jednadžbom (2), koja se općenito primjenjuje kada je L=150/F ili manje, gdje F predstavljafrekvencija elektromagnetskih valovau MHz. Ako se prekorači ova granica, izračun maksimalnog induciranog napona može se pojednostaviti na sljedeći način:

3. Interferencija polja diferencijalnog načina rada: Ovo se odnosi na interferenciju između napajanja iulazni i izlazni vod za napajanjesU stvarnom dizajnu PCB-a, autor je primijetio da je njegov doprinos šumu napajanja minimalan te se stoga ovdje može izostaviti.
4. Međulinijske smetnjeOva vrsta interferencije odnosi se na interferenciju između dalekovoda. Kada postoji međusobna kapacitivnost (C) i međusobna induktivnost (M1-2) između dva različita paralelna kruga, interferencija će se manifestirati u interferiranom krugu ako u krugu izvora interferencije postoji napon (VC) i struja (IC):
   1. Napon spojen preko kapacitivne impedancije dan je jednadžbom (4), gdje RV predstavlja paralelnu vrijednostotpor blizu krajaiotpor na dalekom krajuodinterferirani krug.
   2. Serijski otpor putem induktivne veze: Ako u izvoru smetnji postoji šum u uobičajenom načinu rada, međulinijska smetnja se općenito pojavljuje i u uobičajenom i u diferencijalnom načinu rada.
5. Spojnica dalekovoda: Ovaj fenomen se javlja kada dalekovod prenosi smetnje na druge uređaje nakon što je bio izloženelektromagnetske smetnje iz AC ili DC izvor napajanjaTo predstavlja neizravni oblik smetnji šuma napajanja na visokofrekventni krugsVažno je napomenuti da šum napajanja ne mora nužno biti samogeneriran, već može biti i rezultat vanjske indukcije smetnji, što dovodi do superponiranja (zračenog ili provedenog) šuma koji sam generira, čime se ometaju drugi sklopovi ili uređaji.

• Protumjere za uklanjanje smetnji uzrokovanih šumom napajanja

Uzimajući u obzir različite manifestacije i uzroke smetnji šuma napajanja analiziranih gore, uvjeti koji dovode do šuma napajanja mogu se specifično poremetiti, učinkovito suzbijajući smetnje. Preporučuju se sljedeća rješenja:

• Pažnja premaPloča kroz rupus: Prolazne rupe zahtijevajuotvor za graviranjenasloj napajanja kako bi se prilagodio njihovom prolazu. Ako je otvor energetskog sloja prevelik, to može utjecati na signalnu petlju, prisiljavajući signal da zaobiđe i povećavajući površinu petlje i šum. Ako su određene signalne linije koncentrirane u blizini otvora i dijele ovu petlju, zajednička impedancija može dovesti do preslušavanja.
• Dovoljno uzemljenja za kabele: Svaki signal zahtijeva vlastitu namjensku signalnu petlju, s što manjim područjem signala i petlje, osiguravajući paralelno poravnanje.
• Postavljanje filtera šuma napajanja: Ovaj filter učinkovito potiskuje šum unutarnjeg napajanja, poboljšavajući sustavprotiv interferencije i sigurnost. Služi kao dvosmjernaRF filter, filtrirajući smetnje buke unesene iz električne mreže (sprečavajući smetnje s drugih uređaja) i buku koju sam generira (kako bi se izbjegle smetnje s drugim uređajima), kao i smetnje zajedničkog načina rada između različitih načina rada.
• Izolacija napajanjaTransformator: Ovo izolira uzemljenu petlju uobičajenog načina radapetlja napajanja ili signalni kabel, učinkovito odvajajući struju petlje zajedničkog načina rada generiranu na visokim frekvencijama.
• Regulacija napajanja: Vraćanje čišćeg napajanja može značajno smanjiti buku napajanja.
• Ožičenje: Ulazne i izlazne vodove napajanja treba držati dalje od ruba dielektrične ploče kako bi se izbjeglo stvaranje zračenja i ometanje drugih krugova ili opreme.
• Odvojena analogna i digitalna napajanja: Visokofrekventni uređaji su općenito vrlo osjetljivi na digitalni šum, pa ih treba izolirati i spojiti na ulazu napajanja. Ako signal treba prolaziti i kroz analognu i kroz digitalnu domenu, petlja se može postaviti preko signala kako bi se smanjila površina petlje.
• Izbjegavajte preklapanje odvojenih napajanja između različitih slojeva: Pokušajte ih rasporediti kako biste spriječili da se šum napajanja lako spoji putem parazitskog kapaciteta.
• Komponente osjetljive na izolaciju: Komponente poput fazno zaključanih petlji (PLL) vrlo su osjetljive na šum napajanja i treba ih držati što dalje od napajanja.
• Postavljanje kabela za napajanje: Postavljanje kabela za napajanje uz signalni kabel može smanjiti petlju signala i postići smanjenje šuma.
• Uzemljenje obilaznog puta: Kako bi se spriječilo nakupljanje šuma uzrokovano smetnjama napajanja na tiskanoj ploči i smetnjama vanjskog napajanja, obilazni put može se uzemljiti na putu smetnji (isključujući zračenje), što omogućuje zaobilaženje šuma u zemlju i izbjegavanje smetnji s drugim uređajima i opremom.

Zaključno:Šum napajanja, bilo da se generira izravno ili neizravno iz napajanja, ometa strujni krug. Prilikom suzbijanja njegovog utjecaja na strujni krug treba slijediti opće načelo: minimizirati utjecaj šuma napajanja na strujni krug, a istovremeno smanjiti utjecaj vanjskih čimbenika ili strujnog kruga na napajanje kako bi se spriječila degradacija šuma napajanja.