Analiza i ublažavanje buke napajanja u procesu projektovanja visokofrekventnih štampanih ploča

U visokofrekventni PCBs, šum napajanja se ističe kao značajan oblik smetnji. Ovaj članak provodi sveobuhvatnu analizu karakteristika i porijekla buke napajanja u visokofrekventnim PCB-ima i nudi praktična i efikasna rješenja zasnovana na inženjerskim aplikacijama.

A.Analiza buke napajanja

Buka napajanja odnosi se na buku koju generiše ili poremeti samo napajanje. Ova smetnja je evidentna u sljedećim aspektima:

1. Distribuirana buka koja nastaje zboginherentna impedansanapajanja. U visokofrekventnim kolima, šum napajanja značajno utiče na visokofrekventne signale. Stoga je početni zahtjev niska razina bukenapajanje. Jednako su važni čisto tlo i napajanje.

U idealnom scenariju, napajanje bi bilobez impedanse, što rezultira bez buke. Međutim, u praksi, napajanje posjeduje određenu impedanciju, koja je raspoređena na cijelo napajanje, što dovodi do superponiranja šuma. Stoga treba uložiti napore da se impedansa napajanja svede na minimum. Poželjno je imati posvećenog power planeizemaljska ravnina. U dizajnu visokofrekventnih kola, generalno je efikasnije dizajnirati napajanje u slojevima, a ne u formatu magistrale, osiguravajući da petlja dosledno prati putanju sa najmanjom impedancijom. Dodatno, ploča za napajanje pruža asignalna petljaza sve signale generisane i primljene na PCB, čime se minimizira signalna petlja i smanjuje šum.

2. Smetnje u polju Common Mode: Ova vrsta smetnji se odnosi na šum između izvora napajanja i zemlje. Nastaje zbog smetnji uzrokovanih petljom formiranom od poremećenog kola i napona zajedničkog moda koji je rezultat zajedničke referentne površine. Magnituda zavisi od relativnih električnih i magnetnih polja, a njen intenzitet je relativno nizak.

U ovom scenariju, smanjenje struje (Ic) dovodi do zajedničkog napona u serijistrujna petlja, utičući na prijemni dio. Ako jemagnetno poljeprevladava, zajednički napon generiran u serijskoj petlji uzemljenja je dat formulom:

ΔB u formuli (1) predstavlja promjenu intenziteta magnetske indukcije, mjereno u Wb/m²; S označava površinu u m².

Za anelektromagnetno polje, kada je električno polje vrijednost je poznata, inducirani napon je dat jednadžbom (2), koja je općenito primjenjiva kada je L=150/F ili manje, pri čemu F predstavljafrekvencija elektromagnetnog talasau MHz. Ako je ova granica prekoračena, izračunavanje maksimalnog indukovanog napona može se pojednostaviti na sljedeći način:

3. Diferencijalni način rada Interferencija polja: Ovo se odnosi na smetnje između napajanja i uređajaulazna i izlazna strujna linijas. U stvarnom dizajnu PCB-a, autor je primijetio da je njegov doprinos buci napajanja minimalan, te se stoga ovdje može izostaviti.
4. Interline Interference: Ova vrsta smetnji se odnosi na smetnje između električnih vodova. Kada postoji međusobna kapacitivnost (C) i međusobna induktivnost (M1-2) između dva različita paralelna kola, smetnje će se manifestovati u ometanom kolu ako postoje napon (VC) i struja (IC) u kolu izvora smetnji:
   1. Napon spojen kroz kapacitivnu impedanciju dat je jednadžbom (4), gdje RV predstavlja paralelnu vrijednostotpor blizu krajaiotpor dalekog krajaof theometano kolo.
   2. Serijski otpor kroz induktivnu spregu: Ako postoji šum zajedničkog moda u izvoru smetnji, međulinijska smetnja se općenito pojavljuje i u zajedničkom i u diferencijalnom modu.
5. Power Line Coupling: Ovaj fenomen se javlja kada električni vod prenosi smetnje drugim uređajima nakon što je bio izloženelektromagnetne smetnjeod AC ili DC izvor napajanjaOvo predstavlja indirektni oblik interferencije buke napajanja visokofrekventni krugs. Važno je napomenuti da buka izvora napajanja ne mora nužno biti sama generirana, ali također može biti rezultat indukcije vanjskih smetnji, što dovodi do superponiranja (zračenog ili vođenog) buke koju sam generira, čime ometa druge krugove ili uređaje.

• Protumjere za eliminaciju smetnji buke napajanja

Uzimajući u obzir različite manifestacije i uzroke interferencije buke izvora napajanja analizirane gore, uslovi koji dovode do buke napajanja mogu biti posebno poremećeni, efikasno potiskujući smetnje. Preporučuju se sljedeća rješenja:

• Pažnja naBoard Through Holes: Potrebne su rupeotvor za graviranjes on thesloj napajanjakako bi se prilagodili njihovom prolazu. Ako je otvor sloja snage prevelik, to može utjecati na signalnu petlju, prisiljavajući signal da zaobiđe i povećavajući površinu petlje i šum. Ako su određene signalne linije koncentrisane blizu otvora i dijele ovu petlju, zajednička impedansa može dovesti do preslušavanja.
• Dovoljna žica za uzemljenje za kablove: Svaki signal zahtijeva svoju posebnu signalnu petlju, sa signalom i područjem petlje što je manje moguće, osiguravajući paralelno poravnanje.
• Postavljanje filtera za buku napajanja: Ovaj filter efikasno potiskuje internu buku napajanja, poboljšavajući sistemprotiv smetnjii sigurnost. Služi kao dvosmjernaRF filter, filtriranje smetnji buke unesene iz dalekovoda (sprečavanje smetnji od drugih uređaja) i buke koju sam generiše (da bi se izbjegle smetnje s drugim uređajima), kao i smetnje zajedničkog moda u više moda.
• Power IsolationTransformer: Ovo izoluje petlju uzemljenja zajedničkog načinasignalni kabel petlje napajanja, efikasno odvajajući struju petlje zajedničkog moda generisanu na visokim frekvencijama.
• Regulacija napajanja: Obnavljanje čistijeg napajanja može značajno smanjiti buku napajanja.
• Ožičenje: Ulazne i izlazne linije napajanja treba držati podalje od ivica dielektrične ploče kako bi se izbjeglo stvaranje zračenja i ometanje drugih kola ili opreme.
• Odvojeno analogno i digitalno napajanje: visokofrekventni uređaji su generalno veoma osetljivi na digitalni šum, tako da ih treba izolovati i spojiti zajedno na ulazu za napajanje. Ako signal treba da prođe i analogne i digitalne domene, petlja se može postaviti preko signala kako bi se smanjilo područje petlje.
• Izbjegavajte preklapanje odvojenih izvora napajanja između različitih slojeva: pokušajte ih razmjestiti kako biste spriječili da se šum napajanja lako spoji kroz parazitski kapacitet.
• Izolujte osetljive komponente: Komponente kao što su petlje sa faznom blokadom (PLL) su veoma osetljive na šum izvora napajanja i treba ih držati što je dalje moguće od izvora napajanja.
• Postavljanje kabla za napajanje: Postavljanje strujnog voda uz signalnu liniju može smanjiti signalnu petlju i postići smanjenje šuma.
• Uzemljenje puta zaobilaznice: Da bi se spriječio akumulirani šum uzrokovan smetnjama napajanja na pločici i vanjskim smetnjama u napajanju, obilazni put se može uzemljiti na putu smetnji (isključujući zračenje), omogućavajući premošćivanje buke do zemlje i izbjegavajući smetnje sa ostali uređaji i oprema.

u zaključku:Šum iz izvora napajanja, bilo da je generisan direktno ili indirektno iz izvora napajanja, ometa strujno kolo. Prilikom suzbijanja njegovog uticaja na strujno kolo, treba se pridržavati opšteg principa: minimizirati uticaj buke napajanja na strujno kolo uz istovremeno smanjenje uticaja spoljašnjih faktora ili kola na napajanje kako bi se sprečila degradacija buke napajanja.