Анализа и ублажавање шума напајања у процесу пројектовања високофреквентних штампаних плоча

У високофреквентна штампана плочаШум напајања се истиче као значајан облик сметњи. Овај чланак спроводи свеобухватну анализу карактеристика и порекла шума напајања у високофреквентним штампаним плочама и нуди практична и ефикасна решења заснована на инжењерским применама.

А.Анализа шума напајања

Шум напајања односи се на шум који генерише или прекида сам напајање. Овај шум је очигледан у следећим аспектима:

1. Дистрибуирана бука која настаје услединхерентна импеданса напајања. У високофреквентним колима, шум напајања значајно утиче на високофреквентне сигнале. Стога је почетни захтев нискошумнинапајањеПодједнако важни су чисто тло и напајање струјом.

У идеалном сценарију, напајање би билобез импедансе, што резултира без шума. Међутим, у пракси, напајање поседује одређену импедансу, која је распоређена по целом напајању, што доводи до суперимпозиције шума. Стога треба уложити напоре да се импеданса напајања минимизира. Пожељно је имати посебан авион за покретање мотораиуземљењеУ дизајну високофреквентних кола, генерално је ефикасније пројектовати напајање у слојевима него у формату магистрале, осигуравајући да петља константно прати путању са најмањом импедансом. Поред тога, плоча за напајање пружасигнална петљаза све сигнале генерисане и примљене на штампаној плочи, чиме се минимизира сигнална петља и смањује шум.

2. Интерференција поља заједничког режима: Ова врста интерференције се односи на шум између напајања и земље. Настаје услед интерференције изазване петљом коју формира поремећено коло и напоном заједничког режима који настаје услед заједничке референтне површине. Величина зависи од релативних електричних и магнетних поља, а њен интензитет је релативно низак.

У овом сценарију, смањење струје (Ic) доводи до заједничког напона у серијиструјна петља, што утиче на пријемни део. Акомагнетно пољепреовладава, напон заједничког режима генерисан у серијској петљи уземљења дат је формулом:

ΔB у формули (1) представља промену интензитета магнетне индукције, мерено у Wb/m²S означава површину у m²².

Заелектромагнетно поље, када је електрично поље Ако је вредност позната, индуковани напон је дат једначином (2), која се генерално примењује када је L=150/F или мање, где F представљафреквенција електромагнетних таласау MHz. Ако се прекорачи ова граница, израчунавање максималног индукованог напона може се поједноставити на следећи начин:

3. Интерференција поља диференцијалног режима: Ово се односи на интерференцију између напајања иулазна и излазна линија за напајањесУ стварном дизајну штампане плоче, аутор је приметио да је њен допринос шуму напајања минималан и стога се овде може изоставити.
4. Међулинијске сметњеОва врста сметњи се односи на сметње између далековода. Када постоји међусобна капацитивност (C) и међусобна индуктивност (M1-2) између два различита паралелна кола, сметње ће се манифестовати у ометаном колу ако постоји напон (VC) и струја (IC) у колу извора сметњи:
   1. Напон спрегнут преко капацитивне импедансе дат је једначином (4), где RV представља паралелну вредностотпор близу крајаиотпор на далеком крајуодометано коло.
   2. Серијски отпор кроз индуктивну спрегу: Ако постоји шум уобичајеног режима у извору сметњи, међулинијске сметње се генерално појављују и у уобичајеном и у диференцијалном режиму.
5. Спојница за далеководОвај феномен се јавља када електрична линија преноси сметње на друге уређаје након што је била изложенаелектромагнетне сметње од наизменичне или једносмерне струје извор напајањаОво представља индиректни облик сметњи шума напајања на високофреквентно колосВажно је напоменути да шум напајања не мора нужно бити самогенерисан, већ може бити резултат и спољашње индукције сметњи, што доводи до суперпозиције (зрачене или кондуковане) шума који сам генерише, чиме се ометају друга кола или уређаји.

• Контрамере за елиминисање сметњи од шума напајања

Узимајући у обзир различите манифестације и узроке сметњи шума напајања анализираних горе, услови који доводе до сметњи шума напајања могу се посебно пореметити, ефикасно сузбијајући сметње. Препоручују се следећа решења:

• Пажња наПлоча кроз отворs: Пролазне рупе захтевајуотвор за гравирањенаслој напајања да би се прилагодио њиховом пролазу. Ако је отвор енергетског слоја превелик, то може утицати на сигналну петљу, присиљавајући сигнал да заобиђе и повећавајући површину петље и шум. Ако су одређене сигналне линије концентрисане близу отвора и деле ову петљу, заједничка импеданса може довести до преслушавања.
• Довољна уземљујућа жица за каблове: Сваки сигнал захтева сопствену наменску сигналну петљу, при чему је површина сигнала и петље што мања, осигуравајући паралелно поравнање.
• Постављање филтера за шум напајања: Овај филтер ефикасно сузбија унутрашњи шум напајања, побољшавајући системпротив сметњи и безбедност. Служи као двосмернаРФ филтер, филтрирајући сметње буке унете из далековода (спречавајући сметње од других уређаја) и буку коју сам генерише (како би се избегле сметње са другим уређајима), као и сметње заједничког режима између различитих режима.
• Изолација напајањаТрансформаторОво изолује заједничку петљу уземљењапетља за напајање или сигнални кабл, ефикасно одвајајући струју заједничког режима генерисану на високим фреквенцијама.
• Регулација напајања: Враћање чистијег напајања може значајно смањити буку напајања.
• Ожичење: Улазне и излазне линије напајања треба држати даље од ивице диелектричне плоче како би се избегло стварање зрачења и ометање других кола или опреме.
• Одвојена аналогна и дигитална напајања: Високофреквентни уређаји су генерално веома осетљиви на дигитални шум, тако да би требало да буду изоловани и повезани заједно на улазу напајања. Ако сигнал треба да пређе и аналогни и дигитални домен, петља се може поставити преко сигнала како би се смањила површина петље.
• Избегавајте преклапање одвојених извора напајања између различитих слојева: Покушајте да их распоредите наизменично како бисте спречили да се шум извора напајања лако повеже кроз паразитску капацитивност.
• Компоненте осетљиве на изолацију: Компоненте као што су фазно закључане петље (PLL) су веома осетљиве на шум напајања и треба их држати што даље од напајања.
• Постављање кабла за напајање: Постављање кабла за напајање поред сигналне линије може смањити сигналну петљу и постићи смањење шума.
• Уземљење бајпас путање: Да би се спречило акумулирање шума изазваног сметњама напајања на штампаној плочи и сметњама спољашњег напајања, бајпас путања може бити уземљена на путањи сметњи (искључујући зрачење), омогућавајући да се шум заобиђе у земљу и избегне сметње са другим уређајима и опремом.

Закључно:Шум напајања, било да се генерише директно или индиректно из напајања, омета коло. Приликом сузбијања његовог утицаја на коло, треба следити општи принцип: минимизирати утицај шума напајања на коло, а истовремено смањити утицај спољних фактора или кола на напајање како би се спречило погоршање шума напајања.