Analiza i redukcja szumów zasilania w procesie projektowania płytek PCB o wysokiej częstotliwości

W PCB o wysokiej częstotliwościSzum zasilania wyróżnia się jako istotna forma zakłóceń. Niniejszy artykuł przeprowadza kompleksową analizę charakterystyki i źródeł szumu zasilania w płytkach PCB o wysokiej częstotliwości oraz przedstawia praktyczne i skuteczne rozwiązania oparte na zastosowaniach inżynierskich.

A.Analiza szumów zasilacza

Szum zasilania odnosi się do szumu generowanego lub zakłócanego przez sam zasilacz. Zakłócenia te przejawiają się w następujących aspektach:

1. Rozproszony hałas powstający w wynikuimpedancja wrodzona zasilania. W obwodach o wysokiej częstotliwości szumy zasilania znacząco wpływają na sygnały o wysokiej częstotliwości. Dlatego początkowym wymaganiem jest niski poziom szumów.zasilaczRównie istotne są czyste uziemienie i zasilanie.

W idealnym scenariuszu zasilanie byłobybez impedancji, co skutkuje brakiem szumu. Jednak w praktyce zasilacz posiada pewną impedancję, która rozkłada się na cały zasilacz, co prowadzi do nakładania się szumów. Dlatego należy dążyć do minimalizacji impedancji zasilacza. Preferowane jest posiadanie dedykowanego samolot napędowyIpłaszczyzna uziemieniaW projektowaniu obwodów o wysokiej częstotliwości, zazwyczaj bardziej efektywne jest projektowanie zasilacza warstwowo niż w formacie magistrali, co zapewnia, że ​​pętla konsekwentnie podąża ścieżką o najmniejszej impedancji. Dodatkowo, płyta zasilająca zapewniapętla sygnałowadla wszystkich sygnałów generowanych i odbieranych na płytce PCB, minimalizując w ten sposób pętlę sygnału i redukując szumy.

2. Zakłócenia pola wspólnego: Ten rodzaj zakłóceń dotyczy szumu między zasilaniem a uziemieniem. Powstają one w wyniku zakłóceń spowodowanych pętlą utworzoną przez przerwany obwód i napięcie wspólne pochodzące ze wspólnej powierzchni odniesienia. Wielkość zakłóceń zależy od względnego pola elektrycznego i magnetycznego, a ich natężenie jest stosunkowo niskie.

W tym scenariuszu spadek prądu (Ic) prowadzi do napięcia wspólnego w szeregupętla prądowa, wpływając na sekcję odbiorczą. Jeślipole magnetyczneprzeważa, napięcie wspólne generowane w szeregowej pętli uziemienia jest podane wzorem:

ΔB we wzorze (1) oznacza zmianę natężenia indukcji magnetycznej mierzoną w Wb/m²; S oznacza obszar w m².

Dlapole elektromagnetyczne, kiedy pole elektryczne znana jest wartość, napięcie indukowane jest podane za pomocą równania (2), które jest ogólnie stosowane, gdy L=150/F lub mniej, przy czym F oznaczaczęstotliwość fali elektromagnetycznejw MHz. W przypadku przekroczenia tego limitu, obliczenie maksymalnego indukowanego napięcia można uprościć w następujący sposób:

3. Zakłócenia pola trybu różnicowego: Odnosi się to do zakłóceń pomiędzy zasilaniem alinia zasilania wejściowego i wyjściowegoSW rzeczywistym projekcie PCB autor zauważył, że jego wpływ na szum zasilania jest minimalny, dlatego też można go tutaj pominąć.
4. Interferencja międzyliniowa:Ten rodzaj zakłóceń dotyczy zakłóceń między liniami energetycznymi. Gdy między dwoma różnymi obwodami równoległymi występuje pojemność wzajemna (C) i indukcyjność wzajemna (M1-2), zakłócenia pojawią się w obwodzie zakłóconym, jeśli w obwodzie źródłowym zakłóceń występuje napięcie (VC) i prąd (IC):
   1. Napięcie sprzężone przez impedancję pojemnościową jest podane równaniem (4), gdzie RV oznacza wartość równoległąopór bliski końcaiopór dalekiego zasięguzobwód zakłócony.
   2. Rezystancja szeregowa poprzez sprzężenie indukcyjne: Jeżeli w źródle zakłóceń występuje szum wspólny, zakłócenia międzyliniowe pojawiają się na ogół zarówno w trybie wspólnym, jak i w trybie różnicowym.
5. Złącze linii energetycznej:Zjawisko to występuje, gdy linia energetyczna po poddaniu działaniu napięcia przekazuje zakłócenia do innych urządzeń.zakłócenia elektromagnetyczne z prądu przemiennego lub stałego źródło zasilaniaStanowi to pośrednią formę zakłóceń pochodzących od szumów zasilania. obwód wysokiej częstotliwościSNależy pamiętać, że szumy w zasilaniu niekoniecznie muszą być generowane samodzielnie, lecz mogą również wynikać z zewnętrznej indukcji zakłóceń, powodując nakładanie się (promieniowanego lub przewodzonego) szumów generowanych przez samo zasilanie, zakłócając w ten sposób pracę innych obwodów lub urządzeń.

• Środki zaradcze eliminujące zakłócenia spowodowane zakłóceniami w zasilaniu

Biorąc pod uwagę różne przejawy i przyczyny zakłóceń w zasilaniu, omówione powyżej, można skutecznie zakłócić warunki prowadzące do zakłóceń w zasilaniu, skutecznie je tłumiąc. Zalecane są następujące rozwiązania:

• Uwaga naOtwór przelotowy na płycies: Otwory przelotowe wymagająotwór trawieniajest nawarstwa zasilania Aby umożliwić ich przepływ. Jeśli otwór w warstwie zasilania jest zbyt duży, może to wpłynąć na pętlę sygnałową, wymuszając ominięcie sygnału i zwiększając obszar pętli oraz poziom szumu. Jeśli pewne linie sygnałowe są skoncentrowane w pobliżu otworu i współdzielą tę pętlę, wspólna impedancja może prowadzić do przesłuchów.
• Wystarczająca ilość przewodu uziemiającego dla kabli: Każdy sygnał wymaga własnej, dedykowanej pętli sygnałowej, przy czym obszar sygnału i pętli jest możliwie najmniejszy, co zapewnia równoległe wyrównanie.
• Umieszczenie filtra szumów zasilacza: Ten filtr skutecznie tłumi wewnętrzne szumy zasilacza, zwiększając wydajność systemu.przeciwzakłóceniowy i bezpieczeństwa. Służy jako dwukierunkowaFiltr RF, filtrując zakłócenia szumowe wprowadzane z linii energetycznej (zapobiegając zakłóceniom z innych urządzeń) oraz zakłócenia generowane przez samą linię (aby uniknąć zakłóceń z innych urządzeń), a także zakłócenia w trybie wspólnym międzykanałowym.
• Izolacja zasilaniaTransformator:Izoluje wspólną pętlę uziemieniapętla zasilania lub kabel sygnałowy, skutecznie oddzielając prąd pętli w trybie wspólnym generowany przy wysokich częstotliwościach.
• Regulacja mocy: Przywrócenie czystszego zasilania może znacząco zmniejszyć szumy zasilania.
• Okablowanie: Przewody wejściowe i wyjściowe zasilacza powinny być prowadzone z dala od krawędzi płytki dielektrycznej, aby uniknąć generowania promieniowania i zakłócania pracy innych obwodów lub urządzeń.
• Oddzielne zasilacze analogowe i cyfrowe: Urządzenia o wysokiej częstotliwości są zazwyczaj bardzo wrażliwe na szum cyfrowy, dlatego oba powinny być odizolowane i połączone na wejściu zasilania. Jeśli sygnał musi przejść zarówno przez domenę analogową, jak i cyfrową, można umieścić pętlę wzdłuż sygnału, aby zmniejszyć jej powierzchnię.
• Unikaj nakładania się oddzielnych zasilaczy pomiędzy różnymi warstwami: Staraj się je rozmieszczać w sposób schodkowy, aby zapobiec łatwemu sprzęganiu się szumów zasilacza poprzez pojemność pasożytniczą.
• Izolacja wrażliwych komponentów: Komponenty takie jak pętle synchronizacji fazowej (PLL) są bardzo wrażliwe na zakłócenia w zasilaniu i powinny być umieszczone jak najdalej od źródła zasilania.
• Umiejscowienie przewodu zasilającego: Umieszczenie przewodu zasilającego wzdłuż przewodu sygnałowego może zmniejszyć pętlę sygnału i uzyskać redukcję szumów.
• Uziemienie ścieżki obejściowej: Aby zapobiec kumulacji szumów spowodowanych zakłóceniami zasilania na płytce drukowanej i zakłóceniami zasilania zewnętrznego, ścieżkę obejściową można uziemić na ścieżce zakłóceń (z wyłączeniem promieniowania), co pozwala na odprowadzenie szumów do ziemi i zapobiega zakłóceniom pracy innych urządzeń i sprzętu.

Podsumowując:Szum zasilania, generowany bezpośrednio lub pośrednio przez zasilacz, zakłóca pracę obwodu. Aby ograniczyć jego wpływ na obwód, należy przestrzegać ogólnej zasady: minimalizować wpływ szumu zasilania na obwód, jednocześnie redukując wpływ czynników zewnętrznych lub obwodu na zasilanie, aby zapobiec degradacji szumu zasilania.