Analýza a zmiernenie šumu napájacieho zdroja v procese návrhu vysokofrekvenčných dosiek plošných spojov

V vysokofrekvenčná doska plošných spojovŠum napájacieho zdroja predstavuje významnú formu rušenia. Tento článok vykonáva komplexnú analýzu charakteristík a pôvodu šumu napájacieho zdroja vo vysokofrekvenčných doskách plošných spojov a ponúka praktické a efektívne riešenia založené na inžinierskych aplikáciách.

A.Analýza šumu napájacieho zdroja

Šum zdroja napájania sa vzťahuje na šum generovaný alebo rušený samotným zdrojom napájania. Toto rušenie sa prejavuje v nasledujúcich aspektoch:

1. Rozložený šum vyplývajúci zinherentná impedancia napájacieho zdroja. Vo vysokofrekvenčných obvodoch má šum napájacieho zdroja výrazný vplyv na vysokofrekvenčné signály. Preto je počiatočnou požiadavkou nízkošumový...napájanieRovnako dôležité sú čistá zem a zdroj napájania.

V ideálnom prípade by zdroj napájania bolbez impedancie, čo vedie k absencii šumu. V praxi má však napájací zdroj určitú impedanciu, ktorá je rozložená po celom napájacom zdroji, čo vedie k prekrývaniu šumu. Preto by sa malo snažiť minimalizovať impedanciu napájacieho zdroja. Je lepšie mať vyhradený výkonové lietadloarovina zemePri návrhu vysokofrekvenčných obvodov je vo všeobecnosti efektívnejšie navrhovať napájací zdroj vo vrstvách než vo formáte zbernice, čím sa zabezpečí, že slučka bude konzistentne sledovať cestu s najmenšou impedanciou. Okrem toho napájacia doska poskytuje...signálna slučkapre všetky signály generované a prijímané na doske plošných spojov, čím sa minimalizuje signálna slučka a znižuje šum.

2. Rušenie súfázového poľa: Tento typ rušenia sa týka šumu medzi zdrojom napájania a zemou. Vzniká z rušenia spôsobeného slučkou vytvorenou narušeným obvodom a súfázovým napätím vyplývajúcim zo spoločného referenčného povrchu. Jeho veľkosť závisí od relatívnych elektrických a magnetických polí a jeho intenzita je relatívne nízka.

V tomto scenári pokles prúdu (Ic) vedie k spoločnému napätiu v sérii.prúdová slučka, čo má vplyv na prijímaciu časť. Akmagnetické poleprevláda, napätie spoločného režimu generované v sériovej uzemňovacej slučke je dané vzorcom:

ΔB vo vzorci (1) predstavuje zmenu intenzity magnetickej indukcie meranú vo Wb/m²S označuje plochu v m²².

Preelektromagnetické pole, keď elektrické pole Ak je známa hodnota, indukované napätie je dané rovnicou (2), ktorá je všeobecne použiteľná, keď L=150/F alebo menej, kde F predstavujefrekvencia elektromagnetických vĺnv MHz. Ak sa tento limit prekročí, výpočet maximálneho indukovaného napätia možno zjednodušiť takto:

3. Rušenie poľa v diferenciálnom režime: Toto sa vzťahuje na rušenie medzi zdrojom napájania avstupné a výstupné napájacie vedeniesPri skutočnom návrhu dosky plošných spojov autor pozoroval, že jej príspevok k šumu napájacieho zdroja je minimálny, a preto ho tu možno vynechať.
4. Interlinkové rušenieTento typ rušenia sa týka rušenia medzi elektrickými vedeniami. Ak existuje vzájomná kapacita (C) a vzájomná indukčnosť (M1-2) medzi dvoma rôznymi paralelnými obvodmi, rušenie sa prejaví v rušenom obvode, ak je v obvode zdroja rušenia napätie (VC) a prúd (IC):
   1. Napätie prepojené cez kapacitnú impedanciu je dané rovnicou (4), kde RV predstavuje paralelnú hodnotuodpor blízko koncaaodpor na vzdialenom koncizrušený obvod.
   2. Sériový odpor prostredníctvom indukčnej väzby: Ak sa v zdroji rušenia nachádza šum v súvzmernom režime, medzivodičové rušenie sa vo všeobecnosti objavuje v súvzmernom aj diferenciálnom režime.
5. Spojka elektrického vedeniaK tomuto javu dochádza, keď elektrické vedenie prenáša rušenie do iných zariadení po tom, čo bolo vystavenéelektromagnetické rušenie zo striedavého alebo jednosmerného prúdu zdroj energieToto predstavuje nepriamu formu rušenia šumom napájacieho zdroja. vysokofrekvenčný obvodsJe dôležité poznamenať, že šum napájacieho zdroja nemusí byť nevyhnutne generovaný samotným zdrojom, ale môže byť aj dôsledkom vonkajšej indukcie rušenia, čo vedie k superpozícii (vyžarovaného alebo vedeného) šumu generovaného samotným zdrojom, čím ruší iné obvody alebo zariadenia.

• Protiopatrenia na elimináciu rušenia šumom napájacieho zdroja

Vzhľadom na rôzne prejavy a príčiny rušenia šumom napájania analyzované vyššie je možné cielene narušiť podmienky vedúce k šumu napájania a účinne potlačiť rušenie. Odporúčajú sa nasledujúce riešenia:

• Pozornosť venovanáDoska cez otvors: Priechodné otvory vyžadujúotvor leptanias navrstva napájania aby sa prispôsobil ich prechodu. Ak je otvor výkonovej vrstvy príliš veľký, môže to ovplyvniť signálovú slučku, nútiť signál obísť a zväčšiť plochu slučky a šum. Ak sú určité signálové vedenia sústredené v blízkosti otvoru a zdieľajú túto slučku, spoločná impedancia môže viesť k presluchu.
• Dostatočný uzemňovací vodič pre káble: Každý signál vyžaduje vlastnú vyhradenú signálnu slučku, pričom plocha signálu a slučky musí byť čo najmenšia, aby sa zabezpečilo paralelné zarovnanie.
• Umiestnenie filtra šumu napájacieho zdroja: Tento filter účinne potláča vnútorný šum napájacieho zdroja a zlepšuje tak systém...proti rušeniu a bezpečnosť. Slúži ako obojsmernýRF filter, filtrovanie rušenia privádzaného z elektrického vedenia (zabránenie rušeniu z iných zariadení) a šumu generovaného samotným vedením (aby sa predišlo rušeniu s inými zariadeniami), ako aj rušenia v spoločnom režime medzi rôznymi režimami.
• Izolácia napájaniaTransformátor: Toto izoluje uzemňovaciu slučku spoločného režimunapájacia slučka alebo signálny kábel, čím sa účinne oddeľuje prúd slučky spoločného režimu generovaný pri vysokých frekvenciách.
• Regulácia napájania: Obnovenie čistejšieho zdroja napájania môže výrazne znížiť hluk zdroja napájania.
• Zapojenie: Vstupné a výstupné vodiče napájacieho zdroja by mali byť umiestnené ďalej od okraja dielektrickej dosky, aby sa predišlo vyžarovaniu a rušeniu iných obvodov alebo zariadení.
• Samostatné analógové a digitálne napájacie zdroje: Vysokofrekvenčné zariadenia sú vo všeobecnosti veľmi citlivé na digitálny šum, preto by mali byť tieto dva zdroje izolované a prepojené na vstupe napájacieho zdroja. Ak signál potrebuje prechádzať analógovou aj digitálnou doménou, je možné cez signál umiestniť slučku, aby sa zmenšila plocha slučky.
• Zabráňte prekrývaniu samostatných napájacích zdrojov medzi rôznymi vrstvami: Pokúste sa ich rozmiestniť striedavo, aby ste zabránili ľahkému prepojeniu šumu napájacieho zdroja cez parazitnú kapacitu.
• Izolačné citlivé komponenty: Komponenty, ako sú fázovo uzamknuté slučky (PLL), sú vysoko citlivé na šum napájacieho zdroja a mali by byť umiestnené čo najďalej od napájacieho zdroja.
• Umiestnenie napájacieho kábla: Umiestnenie elektrického vedenia pozdĺž signálneho vedenia môže znížiť signálnu slučku a dosiahnuť zníženie šumu.
• Uzemnenie obtokovej cesty: Aby sa zabránilo nahromadenému šumu spôsobenému rušením napájania na doske plošných spojov a rušením externého napájania, obtoková cesta sa môže uzemniť na rušivej ceste (s výnimkou žiarenia), čo umožňuje odviesť šum do zeme a zabrániť rušeniu iných zariadení a vybavenia.

Na záver:Šum napájacieho zdroja, či už generovaný priamo alebo nepriamo zo zdroja, ruší obvod. Pri potláčaní jeho vplyvu na obvod by sa mala dodržiavať všeobecná zásada: minimalizovať vplyv šumu napájacieho zdroja na obvod a zároveň znížiť vplyv vonkajších faktorov alebo obvodu na zdroj napájania, aby sa zabránilo degradácii šumu napájacieho zdroja.