Аналіз та зменшення шуму джерела живлення в процесі проектування високочастотних друкованих плат

У високочастотна друкована платашум джерела живлення є значною формою перешкод. У цій статті проводиться комплексний аналіз характеристик та походження шуму джерела живлення у високочастотних друкованих платах, а також пропонуються практичні та ефективні рішення, засновані на інженерних застосуваннях.

А.Аналіз шуму джерела живлення

Шум блоку живлення – це шум, що генерується або порушується самим блоком живлення. Ці перешкоди проявляються в таких аспектах:

1. Розподілений шум, що виникає внаслідоквласний імпеданс джерела живлення. У високочастотних схемах шум джерела живлення суттєво впливає на високочастотні сигнали. Тому початковою вимогою є низькошумнийджерело живленняНе менш важливими є чиста земля та електропостачання.

В ідеальному випадку джерело живлення було ббезімпедансний, що призводить до відсутності шуму. Однак на практиці джерело живлення має певний імпеданс, який розподіляється по всьому джерелу живлення, що призводить до накладання шуму. Отже, слід докласти зусиль для мінімізації імпедансу джерела живлення. Бажано мати спеціалізований силовий літакіплощина земліУ проектуванні високочастотних схем, як правило, ефективніше проектувати джерело живлення шарами, а не у форматі шини, забезпечуючи, щоб контур послідовно слідував шляху з найменшим імпедансом. Крім того, плата живлення забезпечуєсигнальна петлядля всіх сигналів, що генеруються та приймаються на друкованій платі, тим самим мінімізуючи сигнальну петлю та зменшуючи шум.

2. Синфазні перешкоди: Цей тип перешкод стосується шуму між джерелом живлення та землею. Вони виникають через перешкоди, спричинені петлею, утвореною порушеним колом, та синфазною напругою, що виникає від спільної опорної поверхні. Величина перешкод залежить від відносних електричних та магнітних полів, а їхня інтенсивність є відносно низькою.

У цьому сценарії зменшення струму (Ic) призводить до появи синфазної напруги послідовно.струмова петля, що впливає на приймальну секцію. Якщомагнітне полепереважає, синфазна напруга, що генерується в послідовному контурі заземлення, визначається формулою:

ΔB у формулі (1) являє собою зміну інтенсивності магнітної індукції, виміряну у Вб/м²S позначає площу в м²².

Дляелектромагнітне поле, коли електричне поле Якщо значення відоме, індукована напруга визначається рівнянням (2), яке зазвичай застосовується, коли L=150/F або менше, де F представляєчастота електромагнітних хвильу МГц. Якщо ця межа перевищена, розрахунок максимальної індукованої напруги можна спростити наступним чином:

3. Диференціальна польова перешкода: це стосується перешкод між джерелом живлення тавхідна та вихідна лінія живленнясПід час фактичного проектування друкованої плати автор зауважив, що його внесок у шум блоку живлення мінімальний, тому його тут можна опустити.
4. Міжрядкові перешкодиЦей тип перешкод стосується перешкод між лініями електропередач. Коли між двома різними паралельними ланцюгами існує взаємна ємність (C) та взаємна індуктивність (M1-2), перешкоди проявлятимуться в колі, що зазнає перешкод, якщо в колі джерела перешкод є напруга (VC) та струм (IC):
   1. Напруга, що з'єднується через ємнісний імпеданс, визначається рівнянням (4), де RV представляє паралельне значенняопір ближнього кінцяіопір на дальньому кінцізсхема з перешкодами.
   2. Послідовний опір через індуктивний зв'язок: якщо в джерелі перешкод є синфазний шум, міжлінійні перешкоди зазвичай виникають як у синфазному, так і в диференціальному режимі.
5. З'єднання лінії електропередач: Це явище виникає, коли лінія електропередач передає перешкоди іншим пристроям після того, як вона була підданаелектромагнітні перешкоди від змінного або постійного струму джерело живленняЦе являє собою непряму форму перешкод від джерела живлення. високочастотний контурсВажливо зазначити, що шум джерела живлення може не обов'язково бути власним, а також може виникати внаслідок зовнішньої індукції перешкод, що призводить до накладання (випромінюваного або кондуктивного) шуму, що генерується ним самим, тим самим створюючи перешкоди для інших схем або пристроїв.

• Контрзаходи для усунення перешкод від джерела живлення

Враховуючи різні прояви та причини перешкод від джерела живлення, проаналізовані вище, можна цілеспрямовано порушити умови, що призводять до шуму джерела живлення, ефективно придушуючи перешкоди. Рекомендуються такі рішення:

• Увага доНаскрізний отвір у платіs: Наскрізні отвори вимагаютьотвір для травленнянашар живлення щоб забезпечити їх проходження. Якщо отвір силового шару занадто великий, це може вплинути на сигнальну петлю, змушуючи сигнал обходити та збільшуючи площу петлі та шум. Якщо певні сигнальні лінії зосереджені поблизу отвору та використовують цю петлю, спільний імпеданс може призвести до перехресних перешкод.
• Достатня кількість заземлювального дроту для кабелів: кожен сигнал потребує власної виділеної сигнальної петлі, при цьому площа сигналу та петлі має бути якомога меншою, що забезпечує паралельне вирівнювання.
• Розміщення фільтра шуму блоку живлення: Цей фільтр ефективно пригнічує внутрішній шум блоку живлення, покращуючи роботу системипротиперешкодний та безпеку. Він служить двостороннімРЧ-фільтр, фільтруючи шумові перешкоди, що вносяться з лінії електропередач (запобігаючи перешкодам від інших пристроїв) та шум, що генерується самим пристроєм (щоб уникнути перешкод для інших пристроїв), а також синфазні перешкоди міжмодового типу.
• Ізоляція живленняТрансформатор: Це ізолює синфазний контур заземленняпетля живлення або сигнальний кабель, ефективно розділяючи синфазний контурний струм, що генерується на високих частотах.
• Регулювання живлення: Відновлення чистішого блоку живлення може значно зменшити шум блоку живлення.
• Проводка: Вхідні та вихідні лінії джерела живлення слід розміщувати подалі від краю діелектричної плати, щоб уникнути випромінювання та перешкод для інших схем або обладнання.
• Окремі аналогові та цифрові джерела живлення: Високочастотні пристрої, як правило, дуже чутливі до цифрового шуму, тому їх слід ізолювати та з'єднати разом на вході джерела живлення. Якщо сигнал має перетинати як аналогову, так і цифрову області, можна розмістити петлю через сигнал, щоб зменшити площу петлі.
• Уникайте перекриття окремих джерел живлення між різними шарами: намагайтеся розташувати їх у шаховому порядку, щоб запобігти легкому зв'язку шумів джерела живлення через паразитну ємність.
• Чутливі до ізоляції компоненти: такі компоненти, як фазово-підстроєні контури (ФАПЧ), дуже чутливі до шуму джерела живлення та повинні бути розташовані якомога далі від джерела живлення.
• Розміщення шнура живлення: Розміщення лінії живлення вздовж сигнальної лінії може зменшити петлю сигналу та досягти зниження шуму.
• Заземлення обхідного шляху: Щоб запобігти накопиченню шуму, спричиненого перешкодами від джерела живлення на друкованій платі та перешкодами від зовнішнього джерела живлення, обхідний шлях можна заземлити на шляху перешкод (виключаючи випромінювання), що дозволить відвести шум на землю та уникнути перешкод для інших пристроїв та обладнання.

На завершення:Шум джерела живлення, незалежно від того, чи генерується він безпосередньо чи опосередковано від джерела живлення, створює перешкоди для схеми. Під час придушення його впливу на схему слід дотримуватися загального принципу: мінімізувати вплив шуму джерела живлення на схему, одночасно зменшуючи вплив зовнішніх факторів або схеми на джерело живлення, щоб запобігти погіршенню якості шуму джерела живлення.