Analisis dan Mitigasi Kebisingan Catu Daya dalam Proses Desain PCB Frekuensi Tinggi

Di dalam PCB frekuensi tinggiDalam hal ini, derau catu daya menonjol sebagai bentuk interferensi yang signifikan. Artikel ini melakukan analisis komprehensif tentang karakteristik dan asal-usul derau catu daya pada PCB frekuensi tinggi, dan menawarkan solusi praktis dan efektif berdasarkan aplikasi teknik.

A.Analisis Kebisingan Catu Daya

Gangguan noise pada catu daya mengacu pada noise yang dihasilkan atau diganggu oleh catu daya itu sendiri. Gangguan ini terlihat dalam aspek-aspek berikut:

1. Kebisingan terdistribusi yang dihasilkan dariimpedansi intrinsik dari catu daya. Pada rangkaian frekuensi tinggi, noise catu daya secara signifikan memengaruhi sinyal frekuensi tinggi. Oleh karena itu, persyaratan awal adalah noise rendah.catu daya. Sama pentingnya adalah lahan yang bersih dan pasokan listrik.

Dalam skenario ideal, catu daya akan berupabebas impedansi, sehingga tidak menimbulkan kebisingan. Namun, dalam praktiknya, catu daya memiliki impedansi tertentu, yang tersebar di seluruh catu daya, menyebabkan superimposisi kebisingan. Oleh karena itu, upaya harus dilakukan untuk meminimalkan impedansi catu daya. Lebih baik memiliki catu daya khusus. pesawat terbangDanbidang tanahDalam desain sirkuit frekuensi tinggi, umumnya lebih efektif untuk mendesain catu daya secara berlapis daripada dalam format bus, memastikan bahwa loop secara konsisten mengikuti jalur dengan impedansi terendah. Selain itu, papan daya menyediakanloop sinyaluntuk semua sinyal yang dihasilkan dan diterima pada PCB, sehingga meminimalkan loop sinyal dan mengurangi kebisingan.

2. Interferensi Medan Mode Umum: Jenis interferensi ini berkaitan dengan derau antara catu daya dan tanah. Interferensi ini timbul dari gangguan yang disebabkan oleh loop yang terbentuk oleh rangkaian yang terganggu dan tegangan mode umum yang dihasilkan dari permukaan referensi umum. Besarnya bergantung pada medan listrik dan magnet relatif, dan intensitasnya relatif rendah.

Dalam skenario ini, penurunan arus (Ic) menyebabkan tegangan common-mode pada rangkaian seri.loop arus, berdampak pada bagian penerima. Jikamedan magnetJika tegangan mode umum yang dihasilkan dalam rangkaian ground seri mendominasi, maka rumusnya adalah:

ΔB dalam rumus (1) mewakili perubahan intensitas induksi magnetik, diukur dalam Wb/m²; S menunjukkan luas dalam m².

Untuk sebuahmedan elektromagnetik, ketika medan listrik nilai diketahui, tegangan induksi diberikan oleh Persamaan (2), yang umumnya berlaku ketika L=150/F atau kurang, dengan F mewakilifrekuensi gelombang elektromagnetikdalam MHz. Jika batas ini terlampaui, perhitungan tegangan induksi maksimum dapat disederhanakan sebagai berikut:

3. Interferensi Medan Mode Diferensial: Ini merujuk pada interferensi antara catu daya dansaluran daya input dan outputSDalam desain PCB sebenarnya, penulis mengamati bahwa kontribusinya terhadap noise catu daya sangat minimal, sehingga dapat dihilangkan di sini.
4. Interferensi Antar SaluranJenis interferensi ini berkaitan dengan interferensi antar saluran daya. Ketika terdapat kapasitansi timbal balik (C) dan induktansi timbal balik (M1-2) antara dua rangkaian paralel yang berbeda, interferensi akan muncul pada rangkaian yang terganggu jika terdapat tegangan (VC) dan arus (IC) pada rangkaian sumber interferensi:
   1. Tegangan yang terhubung melalui impedansi kapasitif diberikan oleh Persamaan (4), di mana RV mewakili nilai paralel dariresistansi ujung dekatdanhambatan ujung jauhdarisirkuit yang terganggu.
   2. Resistansi seri melalui kopling induktif: Jika terdapat noise common mode pada sumber interferensi, interferensi antar saluran umumnya muncul baik dalam common mode maupun differential mode.
5. Sambungan Saluran ListrikFenomena ini terjadi ketika saluran listrik mengirimkan interferensi ke perangkat lain setelah mengalamigangguan elektromagnetik dari AC atau DC sumber dayaIni merupakan bentuk tidak langsung dari gangguan kebisingan catu daya pada sirkuit frekuensi tinggiSPenting untuk dicatat bahwa gangguan pada catu daya mungkin tidak selalu berasal dari dirinya sendiri, tetapi juga dapat disebabkan oleh induksi interferensi eksternal, yang mengakibatkan superimposisi (radiasi atau konduksi) gangguan yang dihasilkan oleh catu daya itu sendiri, sehingga mengganggu sirkuit atau perangkat lain.

• Langkah-langkah untuk Menghilangkan Interferensi Kebisingan Catu Daya

Dengan mempertimbangkan berbagai manifestasi dan penyebab gangguan kebisingan catu daya yang telah dianalisis di atas, kondisi yang menyebabkan gangguan kebisingan catu daya dapat diatasi secara spesifik, sehingga gangguan tersebut dapat ditekan secara efektif. Solusi berikut direkomendasikan:

• Perhatian padaPapan Lubang Tembuss: Lubang tembus memerlukanpembukaan etsas padalapisan catu daya untuk mengakomodasi jalur mereka. Jika bukaan lapisan daya terlalu besar, hal itu dapat memengaruhi loop sinyal, memaksa sinyal untuk melewati dan meningkatkan luas loop serta noise. Jika jalur sinyal tertentu terkonsentrasi di dekat bukaan dan berbagi loop ini, impedansi umum dapat menyebabkan crosstalk.
• Kabel Ground yang Memadai: Setiap sinyal memerlukan loop sinyal khusus, dengan area sinyal dan loop dijaga sekecil mungkin, untuk memastikan penyelarasan paralel.
• Penempatan Filter Kebisingan Catu Daya: Filter ini secara efektif menekan kebisingan internal catu daya, sehingga meningkatkan kinerja sistem.anti-interferensi dan keamanan. Ini berfungsi sebagai komunikasi dua arah.Filter RF, menyaring gangguan kebisingan yang berasal dari saluran listrik (mencegah gangguan dari perangkat lain) dan kebisingan yang dihasilkan sendiri (untuk menghindari gangguan dengan perangkat lain), serta gangguan mode umum lintas mode.
• Isolasi DayaTransformatorIni mengisolasi loop ground common-mode darikabel sinyal loopor catu daya, secara efektif memisahkan arus loop common-mode yang dihasilkan pada frekuensi tinggi.
• Pengaturan Daya: Mengembalikan pasokan daya yang lebih bersih dapat mengurangi kebisingan pasokan daya secara signifikan.
• Pengkabelan: Jalur input dan output catu daya harus dijauhkan dari tepi papan dielektrik untuk menghindari timbulnya radiasi dan gangguan pada sirkuit atau peralatan lain.
• Catu Daya Analog dan Digital Terpisah: Perangkat frekuensi tinggi umumnya sangat sensitif terhadap noise digital, sehingga keduanya harus diisolasi dan dihubungkan bersama pada input catu daya. Jika sinyal perlu melewati domain analog dan digital, sebuah loop dapat ditempatkan di sepanjang sinyal untuk mengurangi luas loop.
• Hindari Tumpang Tindih Catu Daya Terpisah Antar Lapisan yang Berbeda: Usahakan untuk menata catu daya secara berselang-seling untuk mencegah gangguan catu daya mudah terhubung melalui kapasitansi parasit.
• Isolasi Komponen Sensitif: Komponen seperti phase-locked loop (PLL) sangat sensitif terhadap gangguan catu daya dan harus dijauhkan sejauh mungkin dari catu daya.
• Penempatan Kabel Daya: Menempatkan kabel daya di samping kabel sinyal dapat mengurangi loop sinyal dan mencapai pengurangan kebisingan.
• Pengardean Jalur Bypass: Untuk mencegah akumulasi noise yang disebabkan oleh interferensi catu daya pada papan sirkuit dan interferensi catu daya eksternal, jalur bypass dapat diarde pada jalur interferensi (tidak termasuk radiasi), sehingga noise dapat dialihkan ke ground dan menghindari interferensi dengan perangkat dan peralatan lain.

Kesimpulannya:Gangguan noise dari catu daya, baik yang dihasilkan secara langsung maupun tidak langsung dari catu daya, mengganggu rangkaian. Dalam upaya menekan pengaruhnya pada rangkaian, prinsip umum yang harus diikuti adalah: meminimalkan dampak noise catu daya pada rangkaian sekaligus mengurangi pengaruh faktor eksternal atau rangkaian itu sendiri terhadap catu daya untuk mencegah penurunan kualitas akibat noise catu daya.