Yüksek Frekanslı PCB Tasarım Sürecinde Güç Kaynağı Gürültüsünün Analizi ve Azaltılması

İçinde yüksek frekanslı PCBYüksek frekanslı baskılı devre kartlarında (PCB) güç kaynağı gürültüsü, önemli bir girişim türü olarak öne çıkmaktadır. Bu makale, yüksek frekanslı PCB'lerdeki güç kaynağı gürültüsünün özelliklerini ve kökenlerini kapsamlı bir şekilde analiz etmekte ve mühendislik uygulamalarına dayalı pratik ve etkili çözümler sunmaktadır.

A.Güç Kaynağı Gürültüsünün Analizi

Güç kaynağı gürültüsü, güç kaynağının kendisi tarafından üretilen veya bozulan gürültüyü ifade eder. Bu parazit aşağıdaki yönlerde kendini gösterir:

1. Dağıtılmış gürültüden kaynaklanandoğal empedans Güç kaynağının gürültüsü, yüksek frekanslı devrelerde yüksek frekanslı sinyalleri önemli ölçüde etkiler. Bu nedenle, ilk gereksinim düşük gürültülü bir güç kaynağı olmasıdır.güç kaynağıTemiz topraklama ve güç kaynağı da aynı derecede önemlidir.

İdeal bir senaryoda, güç kaynağı şöyle olurdu:empedanssızBu durum, gürültü oluşmamasına neden olur. Ancak pratikte, güç kaynağının belirli bir empedansı vardır ve bu empedans tüm güç kaynağına dağılarak gürültünün üst üste binmesine yol açar. Bu nedenle, güç kaynağı empedansını en aza indirmek için çaba gösterilmelidir. Bunun için özel bir güç kaynağı ünitesine sahip olmak tercih edilir. güç uçağıVezemin düzlemiYüksek frekanslı devre tasarımında, güç kaynağını bir veri yolu formatında değil de katmanlar halinde tasarlamak genellikle daha etkilidir; bu, döngünün sürekli olarak en düşük empedansa sahip yolu izlemesini sağlar. Ek olarak, güç kartı şunları sağlar:sinyal döngüsüPCB üzerinde üretilen ve alınan tüm sinyaller için sinyal döngüsünü en aza indirerek gürültüyü azaltır.

2. Ortak Mod Alan Girişimi: Bu girişim türü, güç kaynağı ile toprak arasındaki gürültüyle ilgilidir. Bozulan devrenin oluşturduğu döngü ve ortak referans yüzeyinden kaynaklanan ortak mod geriliminin neden olduğu girişimden kaynaklanır. Büyüklüğü, göreceli elektrik ve manyetik alanlara bağlıdır ve şiddeti nispeten düşüktür.

Bu senaryoda, akımdaki (Ic) azalma, seri devrede ortak mod gerilimine yol açar.akım döngüsüBu durum, alıcı bölümü etkiliyor. Eğermanyetik alanbaskın olduğunda, seri topraklama döngüsünde üretilen ortak mod gerilimi şu formülle verilir:

Formül (1)'deki ΔB, Wb/m cinsinden ölçülen manyetik indüksiyon yoğunluğundaki değişimi temsil eder.²; S, alanın metrekare cinsinden ölçüsünü ifade eder.².

Birelektromanyetik alanne zaman elektrik alanı değer biliniyorsa, indüklenen gerilim, genellikle L=150/F veya daha az olduğunda uygulanabilen Denklem (2) ile verilir; burada F, temsil eder.elektromanyetik dalga frekansıMHz cinsinden. Bu sınır aşılırsa, maksimum indüklenen voltajın hesaplanması aşağıdaki gibi basitleştirilebilir:

3. Diferansiyel Mod Alan Girişimi: Bu, güç kaynağı ile cihaz arasındaki girişime işaret eder.giriş ve çıkış güç hattıSYazar, gerçek PCB tasarımında bunun güç kaynağı gürültüsüne katkısının minimum düzeyde olduğunu gözlemlemiş ve bu nedenle burada ihmal edilebileceğini belirtmiştir.
4. Hatlar Arası GirişimBu tür girişim, güç hatları arasındaki girişimle ilgilidir. İki farklı paralel devre arasında karşılıklı kapasitans (C) ve karşılıklı endüktans (M1-2) olduğunda, girişim kaynağı devresinde gerilim (VC) ve akım (IC) varsa, girişim etkilenen devrede kendini gösterecektir:
   1. Kapasitif empedans üzerinden bağlanan gerilim, Denklem (4) ile verilir; burada RV, paralel değerini temsil eder.yakın uç direnciveuzak uç direnci-nınmüdahale edilmiş devre.
   2. Endüktif bağlantı yoluyla seri direnç: Girişim kaynağında ortak mod gürültüsü varsa, hatlar arası girişim genellikle hem ortak modda hem de diferansiyel modda ortaya çıkar.
5. Güç Hattı BağlantısıBu olay, elektrik hattının maruz kaldığı elektriksel etkilere bağlı olarak diğer cihazlara parazit iletmesi sonucu meydana gelir.elektromanyetik girişim AC veya DC'den güç kaynağıBu, güç kaynağı gürültüsü girişiminin dolaylı bir biçimini temsil eder. yüksek frekanslı devreSŞunu belirtmek önemlidir ki, güç kaynağı gürültüsü mutlaka kendi kendine oluşmaz, aynı zamanda dış parazit indüksiyonundan da kaynaklanabilir; bu da kendi ürettiği gürültünün (yayılan veya iletilen) üst üste binmesine ve dolayısıyla diğer devreleri veya cihazları etkilemesine yol açar.

• Güç Kaynağı Gürültüsünün Girişimini Ortadan Kaldırmaya Yönelik Önlemler

Yukarıda analiz edilen güç kaynağı gürültüsü girişiminin çeşitli tezahürleri ve nedenleri göz önüne alındığında, güç kaynağı gürültüsüne yol açan koşullar özel olarak ortadan kaldırılabilir ve girişim etkili bir şekilde bastırılabilir. Aşağıdaki çözümler önerilmektedir:

• DikkatDelikten Geçen Tahtas: Deliklerden geçmesini gerektiriroyma açıklığıüzerindekilergüç kaynağı katmanı Geçişlerini sağlamak için. Güç katmanı açıklığı çok büyükse, sinyal döngüsünü etkileyebilir, sinyalin atlamasına neden olabilir ve döngü alanını ve gürültüyü artırabilir. Belirli sinyal hatları açıklığın yakınında yoğunlaşmışsa ve bu döngüyü paylaşıyorsa, ortak empedans çapraz karışmaya yol açabilir.
• Kablolar için Yeterli Topraklama Teli: Her sinyal kendi özel sinyal döngüsüne ihtiyaç duyar ve sinyal ile döngü alanı mümkün olduğunca küçük tutularak paralel hizalama sağlanır.
• Güç Kaynağı Gürültü Filtresinin Yerleştirilmesi: Bu filtre, dahili güç kaynağı gürültüsünü etkili bir şekilde bastırarak sistem performansını artırır.müdahale önleyici ve güvenlik. İki yönlü bir işlev görür.RF filtresiGüç hattından kaynaklanan gürültü girişimini (diğer cihazlardan kaynaklanan girişimi önlemek için) ve kendi ürettiği gürültüyü (diğer cihazlarla girişimi önlemek için) filtreler, ayrıca çapraz mod ortak mod girişimini de engeller.
• Güç İzolasyonuTransformatörBu, ortak modlu topraklama döngüsünü izole eder.güç kaynağı döngüsü veya sinyal kablosuBu sayede yüksek frekanslarda oluşan ortak mod döngü akımı etkili bir şekilde ayrıştırılır.
• Güç Düzenlemesi: Daha temiz bir güç kaynağı sağlamak, güç kaynağı gürültüsünü önemli ölçüde azaltabilir.
• Kablolama: Güç kaynağının giriş ve çıkış hatları, radyasyon oluşmasını ve diğer devreler veya ekipmanlarla etkileşime girmesini önlemek için dielektrik levhanın kenarından uzak tutulmalıdır.
• Ayrı Analog ve Dijital Güç Kaynakları: Yüksek frekanslı cihazlar genellikle dijital gürültüye karşı çok hassastır, bu nedenle ikisi birbirinden izole edilmeli ve güç kaynağı girişinde birbirine bağlanmalıdır. Bir sinyalin hem analog hem de dijital alanlardan geçmesi gerekiyorsa, döngü alanını azaltmak için sinyalin üzerine bir döngü yerleştirilebilir.
• Farklı katmanlar arasında ayrı güç kaynaklarının üst üste gelmesinden kaçının: Parazitik kapasitans yoluyla güç kaynağı gürültüsünün kolayca iletilmesini önlemek için bunları kademeli olarak yerleştirmeye çalışın.
• Hassas Bileşenleri İzole Edin: Faz kilitlemeli devreler (PLL'ler) gibi bileşenler güç kaynağı gürültüsüne karşı oldukça hassastır ve güç kaynağından mümkün olduğunca uzakta tutulmalıdır.
• Güç Kablosunun Yerleştirilmesi: Güç kablosunu sinyal hattının yanına yerleştirmek, sinyal döngüsünü azaltabilir ve gürültüyü düşürebilir.
• Bypass Yolu Topraklaması: Devre kartındaki güç kaynağı parazitinden ve harici güç kaynağı parazitinden kaynaklanan birikmiş gürültüyü önlemek için, bypass yolu parazit yoluna (radyasyon hariç) topraklanabilir; bu sayede gürültü toprağa yönlendirilir ve diğer cihaz ve ekipmanlarla parazitlenme önlenir.

Sonuç olarak:Güç kaynağından doğrudan veya dolaylı olarak kaynaklanan güç kaynağı gürültüsü, devreyi etkiler. Devre üzerindeki etkisini azaltırken genel bir ilke izlenmelidir: Güç kaynağı gürültüsünün devre üzerindeki etkisini en aza indirirken, aynı zamanda dış faktörlerin veya devrenin güç kaynağı üzerindeki etkisini de azaltarak güç kaynağı gürültüsünün devre üzerindeki etkisinin azaltılması sağlanmalıdır.