高周波PCB設計プロセスにおける電源ノイズの解析と軽減

2024年7月17日

で 高周波PCB電源ノイズは、重要な干渉要因として際立っています。この記事では、高周波PCBにおける電源ノイズの特性と発生源を包括的に分析し、エンジニアリングアプリケーションに基づいた実用的かつ効果的なソリューションを提案します。

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A．電源ノイズの解析

電源ノイズとは、電源自体によって発生または妨害されるノイズを指します。この干渉は、以下の点で顕著です。

分散ノイズは、固有インピーダンス 電源の。高周波回路では、電源ノイズが高周波信号に大きな影響を与えます。そのため、最初に求められるのは低ノイズです。電源きれいな接地と電源供給も同様に重要です。

理想的なシナリオでは、電源はインピーダンスフリーノイズは発生しません。しかし、実際には電源は一定のインピーダンスを持ち、それが電源全体に分散することでノイズが重畳されます。そのため、電源インピーダンスを最小化するよう努める必要があります。専用の パワープレーンそしてグランドプレーン高周波回路設計では、一般的に、電源をバス形式ではなく層状に設計する方が効果的です。これにより、ループが常に最小インピーダンスの経路を通るようになります。さらに、電源ボードは信号ループPCB 上で生成および受信されるすべての信号に適用され、信号ループが最小限に抑えられ、ノイズが低減されます。

コモンモードフィールド干渉：このタイプの干渉は、電源とグランド間のノイズに関係します。これは、障害のある回路によって形成されるループと、共通の基準面から発生するコモンモード電圧によって引き起こされる干渉によって発生します。その大きさは相対的な電界と磁界に依存し、その強度は比較的低くなります。

このシナリオでは、電流（Ic）の減少により直列接続における同相電圧が発生します。電流ループ受信部に影響を与えます。磁場が支配的である場合、直列グランドループで生成されるコモンモード電圧は次の式で表されます。

式（1）のΔBは磁気誘導強度の変化を表し、Wb/mで測定される。²; Sはm単位の面積を表す²。

のために電磁場、電界値が分かっている場合、誘導電圧は式（２）で与えられ、これはL=150/F以下の場合に一般的に適用可能であり、Fは電磁波周波数MHz単位。この制限を超える場合、最大誘導電圧の計算は次のように簡略化できます。

差動モードフィールド干渉：これは電源と入力および出力電源ラインs実際の PCB 設計では、電源ノイズへの寄与は最小限であることが確認されたため、ここでは省略できます。
インターライン干渉このタイプの干渉は電力線間の干渉に関係します。2つの異なる並列回路間に相互容量（C）と相互インダクタンス（M1-2）が存在する場合、干渉源回路に電圧（VC）と電流（IC）が存在すると、干渉を受ける回路に干渉が発生します。
1. 容量性インピーダンスを介して結合された電圧は式（4）で与えられ、RVは近端抵抗そして遠端抵抗の干渉回路。
2. 誘導結合による直列抵抗: 干渉源に共通モードノイズがある場合、通常、インターライン干渉は共通モードと差動モードの両方で発生します。
電力線結合この現象は、電力線が他の機器に干渉波を伝送する際に発生します。電磁干渉 ACまたはDCから電源これは、電源ノイズ干渉の間接的な形態を表しています。 高周波回路s電源ノイズは必ずしも自己発生的ではなく、外部からの干渉誘導によっても発生し、それ自体が生成したノイズが重畳（放射または伝導）されて他の回路やデバイスに干渉する可能性があることに注意することが重要です。

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電源ノイズ干渉の対策

上記で分析した電源ノイズ干渉の様々な兆候と原因を考慮すると、電源ノイズの発生につながる条件を具体的に破壊することで、干渉を効果的に抑制することができます。以下の解決策が推奨されます。

注目ボードスルーホールs: 貫通穴はエッチング開口部上の電源層 電源層の開口部が大きすぎると、信号ループに影響を与え、信号がバイパスされ、ループ面積とノイズが増加する可能性があります。特定の信号線が開口部付近に集中し、ループを共有すると、共通インピーダンスによってクロストークが発生する可能性があります。
ケーブル用の十分なアース線: 各信号には専用の信号ループが必要です。信号とループの領域は可能な限り小さく保たれ、平行な配置が保証されます。
電源ノイズフィルタの配置：このフィルタは内部電源ノイズを効果的に抑制し、システム性能を向上させます。干渉防止 安全性と双方向のRFフィルター電力線から持ち込まれるノイズ干渉（他の機器からの干渉を防止）と、自身で発生するノイズ（他の機器への干渉を避けるため）、およびクロスモードコモンモード干渉を除去します。
電源分離トランス: これにより、電源ループまたは信号ケーブル高周波で発生するコモンモードループ電流を効果的に分離します。
電力調整: よりクリーンな電源を回復すると、電源ノイズを大幅に削減できます。
配線: 電源の入力ラインと出力ラインは、放射線の発生や他の回路や機器への干渉を避けるために、誘電体基板の端から離しておく必要があります。
アナログ電源とデジタル電源の分離：高周波デバイスは一般的にデジタルノイズに非常に敏感であるため、両者を分離し、電源の入口で接続する必要があります。信号がアナログ領域とデジタル領域の両方を通過する必要がある場合は、信号にループを配置してループ面積を減らすことができます。
異なるレイヤー間で個別の電源が重複しないようにします。寄生容量によって電源ノイズが簡単に結合しないように、電源をずらして配置します。
敏感なコンポーネントを分離する: 位相ロックループ (PLL) などのコンポーネントは電源ノイズに非常に敏感なので、電源からできるだけ遠ざける必要があります。
電源コードの配置: 電源ラインを信号ラインの横に配置すると、信号ループが削減され、ノイズが低減されます。
バイパスパスの接地：回路基板上の電源干渉や外部電源干渉によるノイズの蓄積を防ぐために、干渉経路（放射を除く）上にバイパスパスを接地することで、ノイズをグランドにバイパスし、他のデバイスや機器への干渉を回避します。