ניתוח והפחתת רעשי ספק כוח בתהליך תכנון PCB בתדר גבוה

ב PCB בתדר גבוהs, רעש ספק הכוח בולט כצורה משמעותית של הפרעה. מאמר זה עורך ניתוח מקיף של המאפיינים והמקורות של רעש ספק הכוח במעגלים מודפסים בתדר גבוה, ומציע פתרונות מעשיים ויעילים המבוססים על יישומים הנדסיים.

א.ניתוח רעש ספק הכוח

רעש ספק הכוח מתייחס לרעש שנוצר או מופרע על ידי ספק הכוח עצמו. הפרעה זו ניכרת בהיבטים הבאים:

1. רעש מבוזר הנובע מה-עכבה אינהרנטית של ספק הכוח. במעגלים בתדר גבוה, רעש ספק הכוח משפיע באופן משמעותי על אותות בתדר גבוה. לכן, הדרישה הראשונית היא רעש נמוךספק כוחחשובים לא פחות הם קרקע נקייה ואספקת חשמל נקייה.

בתרחיש אידיאלי, ספק הכוח יהיהנטול עכבה, וכתוצאה מכך אין רעש. עם זאת, בפועל, לספק הכוח יש עכבה מסוימת, אשר מתפזרת על פני כל ספק הכוח, מה שמוביל להצטברות רעש. לכן, יש לעשות מאמצים כדי למזער את עכבת ספק הכוח. עדיף שיהיה ספק כוח ייעודי. מטוס כוחומישור קרקעבתכנון מעגלים בתדר גבוה, בדרך כלל יעיל יותר לתכנן את ספק הכוח בשכבות ולא בפורמט אפיק, מה שמבטיח שהלולאה תעקוב באופן עקבי אחר הנתיב עם העכבה הנמוכה ביותר. בנוסף, לוח החשמל מספקלולאת אותעבור כל האותות שנוצרו ומתקבלים על גבי ה-PCB, ובכך למזער את לולאת האות ולהפחית רעש.

2. הפרעת שדה במצב משותף: סוג זה של הפרעה מתייחס לרעש בין ספק הכוח לאדמה. הוא נובע מהפרעה הנגרמת על ידי לולאה שנוצרת על ידי המעגל המופרע ומתח המצב המשותף הנובע ממשטח הייחוס המשותף. גודלה תלוי בשדות החשמליים והמגנטיים היחסיים, ועוצמתה נמוכה יחסית.

בתרחיש זה, הירידה בזרם (Ic) מובילה למתח אופן משותף בטורלולאת זרם, ומשפיע על מקטע הקליטה. אם ה-שדה מגנטישולט, מתח האודן המשותף שנוצר בלולאת הארקה הטורית ניתן על ידי הנוסחה:

ΔB בנוסחה (1) מייצג את השינוי בעוצמת האינדוקציה המגנטית, הנמדד ב-Wb/m²²; S מציין את השטח במטר².

עבורשדה אלקטרומגנטי, כאשר ה- שדה חשמלי כאשר הערך ידוע, המתח המושרה ניתן על ידי משוואה (2), אשר ישימה בדרך כלל כאשר L=150/F או פחות, כאשר F מייצג אתתדר גל אלקטרומגנטיב-MHz. אם חורגים ממגבלה זו, ניתן לפשט את חישוב המתח המושרה המרבי באופן הבא:

3. הפרעת שדה במצב דיפרנציאלי: זה מתייחס להפרעה בין ספק הכוח לביןקו חשמל קלט ופלטשבתכנון PCB בפועל, המחבר ציין כי תרומתו לרעש ספק הכוח היא מינימלית, ולכן ניתן להשמיטה כאן.
4. הפרעות בין-קויותסוג זה של הפרעה מתייחס להפרעה בין קווי חשמל. כאשר יש קיבול הדדי (C) והשראות הדדית (M1-2) בין שני מעגלים מקבילים שונים, ההפרעה תתבטא במעגל המופרע אם יש מתח (VC) וזרם (IC) במעגל מקור ההפרעה:
   1. המתח המצומד דרך העכבה הקיבולית ניתן על ידי משוואה (4), כאשר RV מייצג את הערך המקביל שלהתנגדות קרובהוה-התנגדות בקצה הרחוקשל ה-מעגל מופרע.
   2. התנגדות טורית באמצעות צימוד אינדוקטיבי: אם יש רעש אופן משותף במקור ההפרעה, ההפרעה הבין-קוית מופיעה בדרך כלל גם במצב משותף וגם במצב דיפרנציאלי.
5. צימוד קו חשמלתופעה זו מתרחשת כאשר קו החשמל משדר הפרעות למכשירים אחרים לאחר שהיה חשוף ל...הפרעות אלקטרומגנטיות מ-AC או DC מקור כוחזה מייצג צורה עקיפה של הפרעת רעש של ספק הכוח על מעגל תדר גבוהשחשוב לציין כי רעש ספק הכוח לא בהכרח נוצר מעצמו, אלא יכול לנבוע גם מהשראת הפרעות חיצוניות, מה שמוביל להצטברות (מוקרן או מוליך) של רעש שנוצר על ידי עצמו, ובכך מפריע למעגלים או התקנים אחרים.

• אמצעי נגד לביטול הפרעות רעש מאספקת החשמל

בהתחשב במגוון הביטויים והגורמים להפרעות רעש באספקת החשמל שנותחו לעיל, ניתן לשבש באופן ספציפי את התנאים המובילים לרעש באספקת החשמל, ובכך לדכא ביעילות את ההפרעה. מומלץ להשתמש בפתרונות הבאים:

• תשומת לב לחור דרך הלוחחורים דרך מחייביםפתיחת תחריטעל השכבת אספקת החשמל כדי לאפשר את מעברם. אם פתח שכבת ההספק גדול מדי, הדבר עלול להשפיע על לולאת האות, לאלץ את האות לעקוף ולהגדיל את שטח הלולאה והרעש. אם קווי אות מסוימים מרוכזים ליד הפתח וחולקים לולאה זו, עכבה משותפת עלולה להוביל למעבר בין-דיבור (crosstalk).
• חוט הארקה מספיק לכבלים: כל אות דורש לולאת אות ייעודית משלו, כאשר שטח האות והלולאה נשמרים קטן ככל האפשר, תוך הבטחת יישור מקביל.
• מיקום מסנן רעשי ספק הכוח: מסנן זה מדכא ביעילות רעשי ספק הכוח הפנימיים, ומשפר את המערכתנגד התערבות ובטיחות. זה משמש כדו-כיוונימסנן RF, סינון הפרעות רעש המוכנסות מקו החשמל (מניעת הפרעות ממכשירים אחרים) ורעש שנוצר על ידי המכשיר עצמו (כדי למנוע הפרעות למכשירים אחרים), כמו גם הפרעות מצב משותף צולבות.
• בידוד כוחשַׁנַאיזה מבודד את לולאת הארקה במצב משותף של ה-כבל לולאה או כבל אות של אספקת חשמל, המפריד ביעילות את זרם הלולאה במצב משותף שנוצר בתדרים גבוהים.
• ויסות צריכת חשמל: שחזור אספקת חשמל נקייה יותר יכול להפחית משמעותית את רעשי אספקת החשמל.
• חיווט: יש להרחיק את קווי הקלט והפלט של ספק הכוח מקצה הלוח הדיאלקטרי כדי למנוע יצירת קרינה והפרעה למעגלים או ציוד אחרים.
• ספקי כוח אנלוגיים ודיגיטליים נפרדים: התקני תדר גבוה בדרך כלל רגישים מאוד לרעש דיגיטלי, לכן יש לבודד את השניים ולחבר אותם יחד בכניסת ספק הכוח. אם אות צריך לחצות גם תחומים אנלוגיים וגם תחומים דיגיטליים, ניתן להציב לולאה על פני האות כדי להקטין את שטח הלולאה.
• הימנעו מחפיפה של ספקי כוח נפרדים בין שכבות שונות: נסו לפזר אותם בדירוג כדי למנוע רעש של ספק הכוח להצטבר בקלות דרך קיבול טפילי.
• בידוד רכיבים רגישים: רכיבים כגון לולאות נעולות פאזה (PLLs) רגישים מאוד לרעש ספק הכוח ויש להרחיקם ככל האפשר מספק הכוח.
• מיקום כבל חשמל: הנחת קו חשמל לצד קו האות יכולה להפחית את לולאת האות ולהשיג הפחתת רעש.
• הארקת נתיב עוקף: כדי למנוע רעש מצטבר הנגרם מהפרעות ספק הכוח בלוח המעגלים ומהפרעות ספק כוח חיצוניות, ניתן להאריק את נתיב העוקף על נתיב ההפרעות (לא כולל קרינה), מה שיאפשר לעקוף את הרעש לקרקע ולמנוע הפרעות למכשירים וציוד אחרים.

לסיכום:רעש ספק הכוח, בין אם נוצר ישירות או בעקיפין מספק הכוח, מפריע למעגל. בעת דיכוי השפעתו על המעגל, יש לפעול לפי עיקרון כללי: למזער את השפעת רעש ספק הכוח על המעגל תוך הפחתת השפעת גורמים חיצוניים או המעגל על ​​ספק הכוח כדי למנוע הידרדרות של רעש ספק הכוח.