高频PCB设计过程中电源噪声的分析与抑制

2024-07-17

在 高频PCB电源噪声是一种重要的干扰形式。本文对高频PCB中电源噪声的特性和来源进行了全面分析，并基于工程应用提出了切实有效的解决方案。

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一个。电源噪声分析

电源噪声是指电源自身产生或干扰的噪声。这种干扰体现在以下几个方面：

由以下原因引起的分布式噪声固有阻抗 电源噪声。在高频电路中，电源噪声会对高频信号产生显著影响。因此，初始要求是低噪声电源。电源同样至关重要的是清洁的地面和电源供应。

理想情况下，电源应该是无阻抗这样就不会产生噪声。然而，在实际应用中，电源本身具有一定的阻抗，并且这种阻抗会分布在整个电源上，导致噪声叠加。因此，应尽量降低电源阻抗。最好配备专用的电源。 动力平面和地面平面在高频电路设计中，采用分层式电源设计通常比采用总线式设计更有效，这样可以确保回路始终沿着阻抗最小的路径运行。此外，电源板还提供了一个信号回路对于 PCB 上生成和接收的所有信号，从而最大限度地减少信号回路并降低噪声。

共模场干扰：这种干扰是指电源与地之间的噪声。它是由受损电路形成的回路以及共参考面产生的共模电压引起的干扰造成的。其强度取决于电场和磁场的相对大小，且通常较低。

在这种情况下，电流 (Ic) 的减小会导致串联电路中出现共模电压。电流环，影响接收部分。如果磁场在共模占主导地位的情况下，串联接地回路中产生的共模电压由以下公式给出：

公式（1）中的ΔB表示磁感应强度的变化，单位为Wb/m。²；S 表示面积，单位为平方米。²。

对于一个电磁场当电场已知阻值，感应电压由公式（2）给出，该公式通常适用于 L=150/F 或更小的情况，其中 F 代表阻值。电磁波频率单位为兆赫兹 (MHz)。如果超过此限制，最大感应电压的计算可简化如下：

差模场干扰：这指的是电源和……之间的干扰。输入和输出电源线s在实际的PCB设计中，作者观察到它对电源噪声的影响很小，因此可以在这里忽略。
线路间干扰这种类型的干扰与电力线之间的干扰有关。当两个不同的并联电路之间存在互电容 (C) 和互感 (M1-2) 时，如果干扰源电路中存在电压 (VC) 和电流 (IC)，则干扰会在被干扰电路中显现出来：
1. 通过容性阻抗耦合的电压由公式（4）给出，其中RV表示并联值。近端电阻以及远端电阻的干扰电路。
2. 通过电感耦合的串联电阻：如果干扰源中存在共模噪声，则线路间干扰通常会以共模和差模两种形式出现。
电力线耦合当电力线受到冲击后，会向其他设备传输干扰，从而产生这种现象。电磁干扰 交流电或直流电电源这代表了一种间接形式的电源噪声干扰。 高频电路s需要注意的是，电源噪声不一定是自身产生的，也可能是外部干扰引起的，导致自身产生的噪声（辐射或传导）叠加，从而干扰其他电路或设备。

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消除电源噪声干扰的对策

综上所述，针对电源噪声干扰的各种表现形式和成因，可以有针对性地干扰导致电源噪声产生的条件，从而有效抑制干扰。建议采取以下措施：

关注板通孔s：通孔需要蚀刻开口s 在电源层 为了方便信号通过。如果电源层开口过大，会影响信号环路，迫使信号旁路，从而增加环路面积和噪声。如果某些信号线集中在开口附近并共用该环路，则公共阻抗会导致串扰。
电缆接地线充足：每个信号都需要自己的专用信号回路，信号和回路区域应尽可能小，以确保平行对齐。
电源噪声滤波器的放置：该滤波器可有效抑制电源内部噪声，从而增强系统性能。抗干扰 以及安全性。它起到双向作用。射频滤波器滤除电源线引入的噪声干扰（防止其他设备的干扰）和自身产生的噪声（避免对其他设备的干扰），以及跨模共模干扰。
电源隔离变压器这样就隔离了共模接地环路。电源环路或信号电缆有效地分离了高频产生的共模环路电流。
电源调节：恢复更清洁的电源可以显著降低电源噪声。
接线：电源的输入和输出线应远离介质板的边缘，以避免产生辐射并干扰其他电路或设备。
模拟和数字电源应分开：高频器件通常对数字噪声非常敏感，因此两者应隔离，并在电源输入端连接在一起。如果信号需要同时经过模拟和数字域，可以在信号两端并联一个环路以减小环路面积。
避免不同层之间独立电源重叠：尽量错开电源，以防止电源噪声通过寄生电容轻易耦合。
隔离敏感元件：锁相环 (PLL) 等元件对电源噪声非常敏感，应尽可能远离电源。
电源线放置：将电源线与信号线并排放置，可以减少信号回路，从而降低噪声。
旁路路径接地：为防止电路板上电源干扰和外部电源干扰引起的噪声累积，可将干扰路径上的旁路路径接地（不包括辐射），使噪声旁路到地，避免干扰其他设备和仪器。