การวิเคราะห์และลดสัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟในกระบวนการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ความถี่สูง

ใน แผงวงจรพิมพ์ความถี่สูงสัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟถือเป็นรูปแบบการรบกวนที่สำคัญอย่างหนึ่ง บทความนี้ทำการวิเคราะห์อย่างครอบคลุมเกี่ยวกับลักษณะและที่มาของสัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟในแผงวงจรพิมพ์ความถี่สูง และนำเสนอแนวทางแก้ไขที่ใช้งานได้จริงและมีประสิทธิภาพโดยอิงจากการประยุกต์ใช้ทางวิศวกรรม

ก.การวิเคราะห์สัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟ

สัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟ หมายถึง สัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นหรือถูกรบกวนโดยตัวแหล่งจ่ายไฟเอง การรบกวนนี้ปรากฏให้เห็นได้ในลักษณะดังต่อไปนี้:

1. สัญญาณรบกวนแบบกระจายที่เกิดจากอิมพีแดนซ์โดยธรรมชาติ ของแหล่งจ่ายไฟ ในวงจรความถี่สูง สัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟส่งผลกระทบอย่างมากต่อสัญญาณความถี่สูง ดังนั้น ข้อกำหนดเบื้องต้นคือแหล่งจ่ายไฟที่มีสัญญาณรบกวนต่ำแหล่งจ่ายไฟสิ่งที่สำคัญไม่แพ้กันคือพื้นดินที่สะอาดและการจ่ายไฟที่ดี

ในสถานการณ์ที่เหมาะสมที่สุด แหล่งจ่ายไฟควรจะเป็นปราศจากอิมพีแดนซ์ส่งผลให้ไม่มีเสียงรบกวน อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ แหล่งจ่ายไฟจะมีค่าความต้านทานอยู่ค่าหนึ่ง ซึ่งกระจายอยู่ทั่วทั้งแหล่งจ่ายไฟ ทำให้เกิดการซ้อนทับของเสียงรบกวน ดังนั้นจึงควรพยายามลดค่าความต้านทานของแหล่งจ่ายไฟให้เหลือน้อยที่สุด ควรใช้แหล่งจ่ายไฟเฉพาะจะดีกว่า ระนาบพลังงานและระนาบพื้นดินในการออกแบบวงจรความถี่สูง โดยทั่วไปแล้วการออกแบบแหล่งจ่ายไฟเป็นแบบหลายชั้นจะมีประสิทธิภาพมากกว่าแบบบัส เพื่อให้แน่ใจว่าวงจรจะเลือกเส้นทางที่มีอิมพีแดนซ์ต่ำที่สุดอย่างสม่ำเสมอ นอกจากนี้ แผงวงจรจ่ายไฟยังให้ประโยชน์อื่นๆ อีกด้วยวงจรสัญญาณสำหรับสัญญาณทั้งหมดที่สร้างและรับบนแผงวงจรพิมพ์ (PCB) จึงช่วยลดวงจรสัญญาณและลดเสียงรบกวนให้น้อยที่สุด

2. การรบกวนสนามโหมดร่วม (Common Mode Field Interference): การรบกวนประเภทนี้เกี่ยวข้องกับสัญญาณรบกวนระหว่างแหล่งจ่ายไฟและกราวด์ เกิดจากการรบกวนที่เกิดจากลูปที่เกิดจากวงจรที่ขาดตอนและแรงดันโหมดร่วมที่เกิดจากพื้นผิวอ้างอิงร่วม ขนาดของสัญญาณรบกวนขึ้นอยู่กับสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กที่สัมพันธ์กัน และความเข้มของสัญญาณค่อนข้างต่ำ

ในสถานการณ์นี้ การลดลงของกระแสไฟฟ้า (Ic) จะนำไปสู่แรงดันโหมดร่วมในวงจรอนุกรมวงจรปัจจุบันซึ่งส่งผลกระทบต่อส่วนรับข้อมูล หากสนามแม่เหล็กโดยทั่วไป แรงดันโหมดร่วมที่เกิดขึ้นในวงจรกราวด์แบบอนุกรมจะคำนวณได้จากสูตร:

ΔB ในสูตร (1) แสดงถึงการเปลี่ยนแปลงความเข้มของการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก ซึ่งวัดเป็น Wb/m²S หมายถึงพื้นที่ในหน่วยตารางเมตร².

สำหรับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อ สนามไฟฟ้า เมื่อทราบค่าแล้ว แรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำจะกำหนดโดยสมการ (2) ซึ่งโดยทั่วไปใช้ได้เมื่อ L=150/F หรือน้อยกว่า โดยที่ F แทนความถี่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าในหน่วยเมกะเฮิร์ตซ์ (MHz) หากเกินขีดจำกัดนี้ การคำนวณแรงดันไฟฟ้าเหนี่ยวนำสูงสุดสามารถลดรูปได้ดังนี้:

3. การรบกวนสนามแบบดิฟเฟอเรนเชียลโหมด: หมายถึงการรบกวนระหว่างแหล่งจ่ายไฟและสายไฟฟ้าขาเข้าและขาออกสในการออกแบบ PCB จริง ผู้เขียนพบว่าการมีส่วนร่วมของส่วนประกอบนี้ต่อสัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟนั้นมีน้อยมาก ดังนั้นจึงสามารถละเว้นได้ในที่นี้
4. การรบกวนระหว่างสาย: การรบกวนประเภทนี้เกี่ยวข้องกับการรบกวนระหว่างสายส่งไฟฟ้า เมื่อมีค่าความจุร่วม (C) และค่าเหนี่ยวนำร่วม (M1-2) ระหว่างวงจรขนานสองวงจรที่แตกต่างกัน การรบกวนจะปรากฏขึ้นในวงจรที่ถูกรบกวนหากมีแรงดันไฟฟ้า (VC) และกระแสไฟฟ้า (IC) ในวงจรแหล่งกำเนิดการรบกวน:
   1. แรงดันที่ส่งผ่านอิมพีแดนซ์คาปาซิทีฟกำหนดโดยสมการ (4) โดยที่ RV แทนค่าขนานของความต้านทานปลายใกล้และความต้านทานปลายสุดของวงจรรบกวน.
   2. ความต้านทานอนุกรมผ่านการเหนี่ยวนำ: หากมีสัญญาณรบกวนแบบคอมมอนโหมดในแหล่งกำเนิดสัญญาณรบกวน สัญญาณรบกวนระหว่างสายมักจะปรากฏทั้งในโหมดคอมมอนโหมดและโหมดดิฟเฟอเรนเชียล
5. ข้อต่อสายส่งไฟฟ้าปรากฏการณ์นี้เกิดขึ้นเมื่อสายส่งไฟฟ้าส่งสัญญาณรบกวนไปยังอุปกรณ์อื่นๆ หลังจากได้รับสัญญาณรบกวนแล้วการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า จากกระแสสลับหรือกระแสตรง แหล่งพลังงานนี่เป็นรูปแบบทางอ้อมของการรบกวนจากสัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟ วงจรความถี่สูงสสิ่งสำคัญที่ควรทราบคือ สัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟอาจไม่ได้เกิดขึ้นเองเสมอไป แต่ยังอาจเกิดจากการเหนี่ยวนำจากภายนอก ซึ่งนำไปสู่การซ้อนทับ (แผ่รังสีหรือนำไฟฟ้า) ของสัญญาณรบกวนที่เกิดขึ้นจากตัวมันเอง ทำให้เกิดการรบกวนวงจรหรืออุปกรณ์อื่นๆ

• มาตรการแก้ไขเพื่อกำจัดสัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟ

เมื่อพิจารณาถึงลักษณะและสาเหตุต่างๆ ของสัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟที่ได้วิเคราะห์ไว้ข้างต้นแล้ว เงื่อนไขที่นำไปสู่สัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟสามารถแก้ไขได้อย่างเฉพาะเจาะจง ซึ่งจะช่วยลดสัญญาณรบกวนได้อย่างมีประสิทธิภาพ ขอแนะนำวิธีการแก้ไขดังต่อไปนี้:

• ให้ความสนใจกับรูทะลุแผ่นวงจรs: รูทะลุจำเป็นต้องใช้ช่องเปิดการกัดกรดs บนชั้นจ่ายไฟ เพื่อรองรับการผ่านของพวกมัน หากช่องเปิดของชั้นพลังงานมีขนาดใหญ่เกินไป อาจส่งผลกระทบต่อวงจรสัญญาณ บังคับให้สัญญาณต้องเลี่ยงผ่าน และเพิ่มพื้นที่วงจรและเสียงรบกวน หากสายสัญญาณบางเส้นกระจุกตัวอยู่ใกล้ช่องเปิดและใช้ร่วมกันในวงจรนี้ ความต้านทานร่วมอาจนำไปสู่การรบกวนข้ามสายสัญญาณได้
• สายดินที่เพียงพอสำหรับสายเคเบิล: สัญญาณแต่ละสัญญาณต้องการวงจรสัญญาณเฉพาะของตัวเอง โดยพื้นที่ของสัญญาณและวงจรควรมีขนาดเล็กที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ เพื่อให้มั่นใจได้ว่าการจัดวางขนานกัน
• ตำแหน่งการติดตั้งตัวกรองสัญญาณรบกวนของแหล่งจ่ายไฟ: ตัวกรองนี้ช่วยลดสัญญาณรบกวนภายในแหล่งจ่ายไฟได้อย่างมีประสิทธิภาพ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบการป้องกันการรบกวน และความปลอดภัย มันทำหน้าที่เป็นแบบสองทางตัวกรอง RFรวมถึงการกรองสัญญาณรบกวนที่เกิดจากสายไฟ (เพื่อป้องกันการรบกวนจากอุปกรณ์อื่น) และสัญญาณรบกวนที่เกิดจากตัวมันเอง (เพื่อหลีกเลี่ยงการรบกวนกับอุปกรณ์อื่น) ตลอดจนสัญญาณรบกวนร่วมแบบครอสโหมด
• การแยกพลังงานหม้อแปลง: วิธีนี้จะแยกวงจรลูปกราวด์โหมดร่วมของสายสัญญาณลูปแหล่งจ่ายไฟซึ่งเป็นการแยกกระแสลูปโหมดร่วมที่เกิดขึ้นที่ความถี่สูงได้อย่างมีประสิทธิภาพ
• การควบคุมพลังงาน: การปรับปรุงระบบจ่ายไฟให้สะอาดขึ้นจะช่วยลดสัญญาณรบกวนในระบบจ่ายไฟได้อย่างมาก
• การเดินสายไฟ: สายไฟขาเข้าและขาออกของแหล่งจ่ายไฟควรอยู่ห่างจากขอบของแผ่นฉนวนเพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดรังสีและการรบกวนวงจรหรืออุปกรณ์อื่นๆ
• แหล่งจ่ายไฟแบบอนาล็อกและดิจิทัลแยกกัน: อุปกรณ์ความถี่สูงโดยทั่วไปมีความไวต่อสัญญาณรบกวนดิจิทัลมาก ดังนั้นทั้งสองส่วนควรแยกออกจากกันและเชื่อมต่อเข้าด้วยกันที่ทางเข้าแหล่งจ่ายไฟ หากสัญญาณจำเป็นต้องผ่านทั้งโดเมนอนาล็อกและดิจิทัล สามารถวางวงจรวนรอบสัญญาณเพื่อลดพื้นที่วงจรได้
• หลีกเลี่ยงการวางแหล่งจ่ายไฟแยกต่างหากซ้อนกันระหว่างชั้นต่างๆ: พยายามจัดวางแหล่งจ่ายไฟให้เหลื่อมกันเพื่อป้องกันไม่ให้สัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟแพร่กระจายได้ง่ายผ่านความจุแฝง
• แยกส่วนประกอบที่ไวต่อสัญญาณรบกวน: ส่วนประกอบต่างๆ เช่น วงจรล็อกเฟส (PLL) มีความไวต่อสัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟสูงมาก และควรวางไว้ให้ห่างจากแหล่งจ่ายไฟมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้
• การจัดวางสายไฟ: การวางสายไฟไว้ข้างๆ สายสัญญาณ จะช่วยลดวงจรสัญญาณรบกวนและลดเสียงรบกวนได้
• การต่อสายดินของเส้นทางบายพาส: เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนสะสมที่เกิดจากการรบกวนของแหล่งจ่ายไฟบนแผงวงจรและการรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟภายนอก สามารถต่อสายดินของเส้นทางบายพาสลงบนเส้นทางที่เกิดการรบกวน (ไม่รวมการแผ่รังสี) เพื่อให้สัญญาณรบกวนถูกส่งต่อลงดินและหลีกเลี่ยงการรบกวนอุปกรณ์และเครื่องมืออื่นๆ

สรุปแล้ว:สัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟ ไม่ว่าจะเกิดขึ้นโดยตรงหรือโดยอ้อมจากแหล่งจ่ายไฟ ล้วนรบกวนวงจร เมื่อต้องการลดผลกระทบของสัญญาณรบกวนนี้ต่อวงจร ควรยึดหลักการทั่วไปคือ ลดผลกระทบของสัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟให้น้อยที่สุด ในขณะเดียวกันก็ลดผลกระทบของปัจจัยภายนอกหรือวงจรต่อแหล่งจ่ายไฟ เพื่อป้องกันไม่ให้สัญญาณรบกวนจากแหล่งจ่ายไฟทำให้คุณภาพของวงจรลดลง