Phân tích và giảm thiểu tiếng ồn của nguồn điện trong quy trình thiết kế PCB tần số cao

TRONG PCB tần số cao s, tiếng ồn nguồn điện nổi bật như một dạng nhiễu đáng kể. Bài viết này tiến hành phân tích toàn diện về đặc điểm và nguồn gốc của tiếng ồn nguồn điện trong PCB tần số cao, đồng thời đưa ra các giải pháp thiết thực và hiệu quả dựa trên các ứng dụng kỹ thuật.

MỘT.Phân tích tiếng ồn cung cấp điện

Tiếng ồn của nguồn điện đề cập đến tiếng ồn được tạo ra hoặc bị gián đoạn bởi chính nguồn điện. Sự can thiệp này thể hiện rõ ở các khía cạnh sau:

1. Tiếng ồn phân tán dotrở kháng cố hữu của nguồn điện. Trong các mạch tần số cao, nhiễu nguồn điện ảnh hưởng đáng kể đến tín hiệu tần số cao. Vì vậy, yêu cầu ban đầu là độ ồn thấpNguồn cấp . Điều quan trọng không kém là mặt đất sạch và nguồn điện.

Trong một kịch bản lý tưởng, nguồn điện sẽkhông có trở kháng , dẫn đến không có tiếng ồn. Tuy nhiên, trên thực tế, bộ nguồn có một trở kháng nhất định, được phân bổ trên toàn bộ bộ nguồn, dẫn đến hiện tượng nhiễu chồng lên nhau. Do đó, cần nỗ lực để giảm thiểu trở kháng nguồn điện. Tốt nhất nên có người chuyên trách máy bay điệnVàmặt đất . Trong thiết kế mạch tần số cao, nhìn chung sẽ hiệu quả hơn khi thiết kế nguồn điện theo lớp thay vì theo định dạng bus, đảm bảo rằng vòng lặp đi theo đường dẫn có trở kháng nhỏ nhất. Ngoài ra, bảng điện cung cấp mộtvòng tín hiệucho tất cả các tín hiệu được tạo và nhận trên PCB, từ đó giảm thiểu vòng lặp tín hiệu và giảm nhiễu.

2. Nhiễu trường ở chế độ chung: Loại nhiễu này liên quan đến tiếng ồn giữa nguồn điện và mặt đất. Nó phát sinh từ sự can thiệp gây ra bởi một vòng lặp được hình thành bởi mạch bị gián đoạn và điện áp chế độ chung do bề mặt tham chiếu chung gây ra. Độ lớn phụ thuộc vào điện trường và từ trường tương đối và cường độ của nó tương đối thấp.

Trong kịch bản này, việc giảm dòng điện (Ic) dẫn đến điện áp chế độ chung trong chuỗivòng hiện tại , ảnh hưởng đến phần tiếp nhận. Nếutừ trườngchiếm ưu thế, điện áp chế độ chung được tạo ra trong vòng nối đất nối tiếp được tính theo công thức:

ΔB trong công thức (1) biểu thị sự thay đổi cường độ cảm ứng từ, đo bằng Wb/m² ; S biểu thị diện tích tính bằng m².

Cho mộttrường điện từ, khi mà điện trường đã biết giá trị, điện áp cảm ứng được tính theo Công thức (2), thường được áp dụng khi L=150/F hoặc nhỏ hơn, với F đại diện chotần số sóng điện từ tính bằng MHz. Nếu vượt quá giới hạn này thì việc tính điện áp cảm ứng lớn nhất có thể được đơn giản hóa như sau:

3. Nhiễu trường ở chế độ vi sai: Điều này đề cập đến nhiễu giữa nguồn điện vàđường dây điện đầu vào và đầu raS . Trong thiết kế PCB thực tế, tác giả nhận thấy rằng sự góp phần của nó vào tiếng ồn nguồn điện là rất nhỏ và do đó có thể bỏ qua ở đây.
4. Nhiễu giữa các đường dây : Loại nhiễu này liên quan đến nhiễu giữa các đường dây điện. Khi có điện dung lẫn nhau (C) và độ tự cảm lẫn nhau (M1-2) giữa hai mạch song song khác nhau, nhiễu sẽ biểu hiện trong mạch nhiễu nếu có điện áp (VC) và dòng điện (IC) trong mạch nguồn nhiễu:
   1. Điện áp ghép qua trở kháng điện dung được tính theo Công thức (4), trong đó RV biểu thị giá trị song song củamức kháng cự cận kềvàsự phản kháng từ xasau đómạch bị nhiễu.
   2. Điện trở nối tiếp thông qua khớp nối cảm ứng: Nếu có nhiễu chế độ chung trong nguồn nhiễu, thì nhiễu giữa các đường dây thường xuất hiện ở cả chế độ chung và chế độ vi sai.
5. Khớp nối đường dây điện: Hiện tượng này xảy ra khi đường dây điện truyền nhiễu tới các thiết bị khác sau khi chịu tác động củanhiễu điện từtừ AC hoặc DC nguồn năng lượngĐiều này thể hiện một dạng nhiễu gián tiếp của nguồn điện trên mạch tần số caoS . Điều quan trọng cần lưu ý là tiếng ồn của nguồn điện không nhất thiết phải tự tạo ra mà còn có thể do cảm ứng nhiễu từ bên ngoài, dẫn đến sự chồng chất (bức xạ hoặc dẫn) tiếng ồn do chính nó tạo ra, do đó gây nhiễu cho các mạch hoặc thiết bị khác.

• Các biện pháp đối phó để loại bỏ nhiễu nhiễu nguồn điện

Xem xét các biểu hiện và nguyên nhân khác nhau gây nhiễu nguồn điện được phân tích ở trên, các điều kiện dẫn đến tiếng ồn nguồn điện có thể bị gián đoạn một cách cụ thể, ngăn chặn nhiễu một cách hiệu quả. Các giải pháp sau đây được khuyến nghị:

• Chú ý đếnVán xuyên lỗs: Thông qua các lỗ bắt buộckhắc mởs trênlớp cung cấp điện để phù hợp với lối đi của họ. Nếu độ mở của lớp nguồn quá lớn, nó có thể ảnh hưởng đến vòng lặp tín hiệu, buộc tín hiệu phải bỏ qua và làm tăng diện tích vòng lặp cũng như nhiễu. Nếu một số đường tín hiệu nhất định tập trung gần lỗ mở và chia sẻ vòng lặp này, trở kháng chung có thể dẫn đến nhiễu xuyên âm.
• Đủ dây nối đất cho cáp: Mỗi tín hiệu yêu cầu vòng tín hiệu chuyên dụng riêng, với tín hiệu và diện tích vòng lặp được giữ ở mức nhỏ nhất có thể, đảm bảo căn chỉnh song song.
• Vị trí của Bộ lọc nhiễu nguồn điện: Bộ lọc này ngăn chặn hiệu quả nhiễu nguồn điện bên trong, tăng cường hệ thốngchống nhiễu và an toàn. Nó đóng vai trò hai chiềuBộ lọc RF, lọc nhiễu từ đường dây điện (ngăn nhiễu từ các thiết bị khác) và nhiễu do chính nó tạo ra (để tránh nhiễu với các thiết bị khác), cũng như nhiễu chế độ chung giữa các chế độ.
• Cách ly điệnMáy biến áp: Điều này cô lập vòng lặp mặt đất ở chế độ chung củacáp tín hiệu loopor cung cấp điện, tách biệt hiệu quả dòng vòng lặp chế độ chung được tạo ra ở tần số cao.
• Điều chỉnh nguồn điện: Khôi phục nguồn điện sạch hơn có thể làm giảm đáng kể tiếng ồn của nguồn điện.
• Đấu dây: Các đường dây đầu vào và đầu ra của nguồn điện phải được đặt cách xa mép của bảng điện môi để tránh tạo ra bức xạ và gây nhiễu cho các mạch hoặc thiết bị khác.
• Nguồn cung cấp điện Analog và Digital riêng biệt: Các thiết bị tần số cao thường rất nhạy cảm với nhiễu kỹ thuật số, vì vậy cả hai cần được cách ly và kết nối với nhau ở lối vào nguồn điện. Nếu tín hiệu cần đi qua cả miền tương tự và miền kỹ thuật số, một vòng lặp có thể được đặt trên tín hiệu để giảm diện tích vòng lặp.
• Tránh chồng chéo các nguồn cung cấp điện riêng biệt giữa các lớp khác nhau: Cố gắng sắp xếp xen kẽ chúng để ngăn chặn tiếng ồn của nguồn điện dễ dàng được ghép nối thông qua điện dung ký sinh.
• Cách ly các thành phần nhạy cảm: Các thành phần như vòng khóa pha (PLL) rất nhạy cảm với tiếng ồn của nguồn điện và phải được giữ càng xa nguồn điện càng tốt.
• Vị trí của dây nguồn: Đặt một đường dây điện dọc theo đường tín hiệu có thể làm giảm vòng lặp tín hiệu và giảm nhiễu.
• Nối đất đường vòng: Để ngăn tiếng ồn tích lũy do nhiễu nguồn điện trên bảng mạch và nhiễu nguồn điện bên ngoài, đường vòng có thể được nối đất trên đường nhiễu (không bao gồm bức xạ), cho phép tiếng ồn được truyền xuống đất và tránh nhiễu với các thiết bị, dụng cụ khác.

Tóm lại là: Tiếng ồn của nguồn điện, dù được tạo ra trực tiếp hay gián tiếp từ nguồn điện, đều gây cản trở cho mạch điện. Khi ngăn chặn ảnh hưởng của nó đến mạch điện, cần tuân thủ nguyên tắc chung: giảm thiểu tác động của nhiễu nguồn điện lên mạch đồng thời giảm ảnh hưởng của các yếu tố bên ngoài hoặc mạch điện lên nguồn điện để ngăn chặn sự suy giảm tiếng ồn của nguồn điện.