Analiza in zmanjševanje šuma napajalnika v procesu načrtovanja visokofrekvenčnih tiskanih vezij

V visokofrekvenčna tiskana vezjaŠum napajalnika izstopa kot pomembna oblika motenj. Ta članek izvaja celovito analizo značilnosti in izvora šuma napajalnika v visokofrekvenčnih tiskanih vezjih ter ponuja praktične in učinkovite rešitve, ki temeljijo na inženirskih aplikacijah.

A.Analiza šuma napajalnika

Šum napajalnika se nanaša na šum, ki ga ustvarja ali moti sam napajalnik. Ta motnja se kaže v naslednjih vidikih:

1. Porazdeljen hrup, ki nastane zaradiinherentna impedanca napajalnika. V visokofrekvenčnih vezjih šum napajalnika pomembno vpliva na visokofrekvenčne signale. Zato je začetna zahteva nizkošumninapajanjeEnako pomembna sta čista tla in oskrba z električno energijo.

V idealnem primeru bi bil napajalnikbrez impedance, kar posledično ne povzroča šuma. Vendar pa ima napajalnik v praksi določeno impedanco, ki je porazdeljena po celotnem napajalniku, kar vodi do prekrivanja šuma. Zato si je treba prizadevati za zmanjšanje impedance napajalnika. Priporočljivo je imeti namensko moč letalainozemljitvena ravninaPri načrtovanju visokofrekvenčnih vezij je na splošno učinkoviteje načrtovati napajalnik v plasteh kot v obliki vodila, kar zagotavlja, da zanka dosledno sledi poti z najmanjšo impedanco. Poleg tega napajalna plošča zagotavljasignalna zankaza vse signale, ki so generirani in sprejeti na tiskanem vezju, s čimer se zmanjša signalna zanka in šum.

2. Motnje skupnega načina delovanja: Ta vrsta motenj se nanaša na šum med napajalnikom in ozemljitvijo. Nastanejo zaradi motenj, ki jih povzročata zanka, ki jo tvori moteno vezje, in skupna napetost, ki izhaja iz skupne referenčne površine. Velikost je odvisna od relativnih električnih in magnetnih polj, njena intenzivnost pa je relativno nizka.

V tem scenariju zmanjšanje toka (Ic) vodi do skupne napetosti v serijitokovna zanka, ki vpliva na sprejemni del. Čemagnetno poljeprevladuje, je napetost skupnega načina, ki nastane v serijski ozemljitveni zanki, podana s formulo:

ΔB v formuli (1) predstavlja spremembo intenzivnosti magnetne indukcije, merjeno v Wb/m²; S označuje površino v m²².

Zaelektromagnetno polje, ko je električno polje Če je vrednost znana, je inducirana napetost podana z enačbo (2), ki se na splošno uporablja, kadar je L=150/F ali manj, kjer F predstavljafrekvenca elektromagnetnega valovanjav MHz. Če je ta omejitev presežena, se izračun največje inducirane napetosti lahko poenostavi na naslednji način:

3. Interferenca polja diferencialnega načina: To se nanaša na interferenco med napajalnikom invhodni in izhodni napajalni vodsAvtor je pri dejanski zasnovi tiskanega vezja opazil, da je njegov prispevek k šumu napajalnika minimalen, zato ga je tukaj mogoče izpustiti.
4. Medvrstne motnjeTa vrsta motenj se nanaša na motnje med daljnovodi. Kadar obstajata medsebojna kapacitivnost (C) in medsebojna induktivnost (M1-2) med dvema različnima vzporednima vezjema, se bo motnja pojavila v motenem vezju, če sta v vezju vira motenj napetost (VC) in tok (IC):
   1. Napetost, sklopljena preko kapacitivne impedance, je podana z enačbo (4), kjer RV predstavlja vzporedno vrednostupor blizu koncainupor na daljnem koncuodmoteno vezje.
   2. Serijska upornost zaradi induktivne sklopke: Če je v viru motenj prisoten šum v skupnem načinu, se medlinijska motnja običajno pojavi tako v skupnem kot diferencialnem načinu.
5. Priključek daljnovoda: Do tega pojava pride, ko električni vod prenaša motnje na druge naprave, potem ko je bil izpostavljenelektromagnetne motnje iz izmeničnega ali enosmernega toka vir energijeTo predstavlja posredno obliko motenj šuma napajanja na visokofrekvenčno vezjesPomembno je omeniti, da šum napajalnika ni nujno samoustvarjen, temveč je lahko tudi posledica zunanje indukcije motenj, kar vodi do prekrivanj (sevanega ali prevajanega) šuma, ki ga ustvari sam, in s tem moti druga vezja ali naprave.

• Protiukrepi za odpravo motenj zaradi šuma napajanja

Glede na različne zgoraj analizirane manifestacije in vzroke motenj šuma napajanja je mogoče pogoje, ki vodijo do šuma napajanja, ciljno prekiniti in učinkovito odpraviti motnje. Priporočamo naslednje rešitve:

• Pozornost naSkozi luknjo na ploščis: Skoznje luknje zahtevajoodprtina za jedkanjenaplast napajanja da se prilagodi njihovemu prehodu. Če je odprtina močnostne plasti prevelika, lahko to vpliva na signalno zanko, zaradi česar signal obide in poveča površino zanke ter šum. Če so določene signalne linije skoncentrirane v bližini odprtine in si delijo to zanko, lahko skupna impedanca povzroči presluh.
• Zadostna ozemljitvena žica za kable: Vsak signal zahteva svojo namensko signalno zanko, pri čemer mora biti površina signala in zanke čim manjša, kar zagotavlja vzporedno poravnavo.
• Namestitev filtra šuma napajalnika: Ta filter učinkovito zavira šum notranjega napajalnika in s tem izboljšuje sistemproti motnjam in varnost. Služi kot dvosmernaRF-filter, s čimer se filtrirajo motnje šuma, ki jih vnaša daljnovod (preprečevanje motenj drugih naprav) in šum, ki ga ustvarja sam sistem (da se preprečijo motnje z drugimi napravami), kot tudi motnje v skupnem načinu delovanja med napravami.
• Izolacija napajanjaTransformator: To izolira ozemljitveno zanko skupnega načinanapajalna zanka ali signalni kabel, ki učinkovito ločuje tok zanke skupnega načina, ki nastane pri visokih frekvencah.
• Regulacija napajanja: Obnovitev čistejšega napajanja lahko znatno zmanjša šum napajalnika.
• Ožičenje: Vhodne in izhodne linije napajalnika morajo biti stran od roba dielektrične plošče, da se prepreči ustvarjanje sevanja in motenje drugih vezij ali opreme.
• Ločena analogna in digitalna napajalnika: Visokofrekvenčne naprave so običajno zelo občutljive na digitalni šum, zato ju je treba izolirati in povezati na vhodu napajanja. Če mora signal prečkati tako analogno kot digitalno domeno, se lahko čez signal namesti zanka, da se zmanjša površina zanke.
• Izogibajte se prekrivanju ločenih napajalnikov med različnimi plastmi: Poskusite jih razporediti zamikano, da preprečite, da bi se šum napajalnika zlahka prepletal s parazitsko kapacitivnostjo.
• Izolirano občutljive komponente: Komponente, kot so fazno zaklenjene zanke (PLL), so zelo občutljive na šum napajalnika in jih je treba namestiti čim dlje od napajalnika.
• Namestitev napajalnega kabla: Namestitev napajalnega kabla vzdolž signalnega kabla lahko zmanjša signalno zanko in zmanjša šum.
• Ozemljitev obvodne poti: Da bi preprečili kopičenje šuma, ki ga povzročajo motnje napajanja na tiskanem vezju in motnje zunanjega napajanja, je mogoče obvodno pot ozemljiti na poti motenj (brez sevanja), kar omogoča, da se šum odvede v zemljo in se izognemo motnjam z drugimi napravami in opremo.

Za zaključek:Šum napajalnika, ne glede na to, ali ga generira neposredno ali posredno napajalnik, moti vezje. Pri zmanjševanju njegovega vpliva na vezje je treba upoštevati splošno načelo: čim bolj zmanjšati vpliv šuma napajalnika na vezje in hkrati zmanjšati vpliv zunanjih dejavnikov ali vezja na napajanje, da se prepreči poslabšanje šuma napajalnika.