Analýza a zmírnění šumu napájecího zdroje v procesu návrhu vysokofrekvenčních desek plošných spojů

V vysokofrekvenční PCBs, vystupuje šum napájecího zdroje jako významná forma rušení. Tento článek provádí komplexní analýzu charakteristik a původu šumu napájecího zdroje ve vysokofrekvenčních deskách plošných spojů a nabízí praktická a efektivní řešení založená na technických aplikacích.

A.Analýza hlučnosti napájecího zdroje

Hluk napájecího zdroje se týká hluku generovaného nebo rušeného samotným napájecím zdrojem. Tato interference je patrná v následujících aspektech:

1. Distribuovaný hluk vyplývající zvlastní impedancenapájecího zdroje. Ve vysokofrekvenčních obvodech šum napájecího zdroje výrazně ovlivňuje vysokofrekvenční signály. Prvotním požadavkem je proto nízká hlučnostnapájení. Stejně důležité je čisté uzemnění a napájení.

V ideálním případě by to bylo napájeníbez impedance, což má za následek žádný hluk. V praxi však má napájecí zdroj určitou impedanci, která je rozložena po celém napájecím zdroji, což vede k superpozici šumu. Proto je třeba vynaložit úsilí na minimalizaci impedance napájecího zdroje. Je lepší mít vyhrazenou energetické letadloazemní rovina. Při návrhu vysokofrekvenčních obvodů je obecně efektivnější navrhovat napájecí zdroj ve vrstvách spíše než ve formátu sběrnice, čímž je zajištěno, že smyčka konzistentně sleduje cestu s nejmenší impedancí. Napájecí deska navíc poskytuje asignálová smyčkapro všechny signály generované a přijímané na PCB, čímž se minimalizuje signálová smyčka a snižuje šum.

2. Běžné rušení pole: Tento typ rušení se týká šumu mezi napájecím zdrojem a zemí. Vzniká rušením způsobeným smyčkou tvořenou narušeným obvodem a souosým napětím vyplývajícím ze společné referenční plochy. Velikost závisí na relativních elektrických a magnetických polích a její intenzita je relativně nízká.

V tomto scénáři vede pokles proudu (Ic) ke společnému napětí v sériiproudová smyčkas dopadem na přijímací sekci. Pokudmagnetické polepřevládá, je souosé napětí generované v sériové zemní smyčce dáno vzorcem:

ΔB ve vzorci (1) představuje změnu intenzity magnetické indukce, měřenou ve Wb/m²; S označuje plochu vm².

Proelektromagnetické pole, když elektrické pole hodnota je známá, indukované napětí je dáno rovnicí (2), která je obecně použitelná, když L=150/F nebo méně, přičemž F představujefrekvence elektromagnetických vlnv MHz. Pokud je tento limit překročen, lze výpočet maximálního indukovaného napětí zjednodušit následovně:

3. Interference pole v diferenciálním režimu: Toto se týká interference mezi napájecím zdrojem a napájecím zdrojemvstupní a výstupní elektrické vedenís. Ve skutečném návrhu desky plošných spojů autor zjistil, že její příspěvek k šumu napájecího zdroje je minimální, a proto zde může být vynechán.
4. Interline Interference: Tento typ rušení se týká rušení mezi elektrickými vedeními. Když je mezi dvěma různými paralelními obvody vzájemná kapacita (C) a vzájemná indukčnost (M1-2), rušení se projeví v rušeném obvodu, pokud je v obvodu zdroje rušení napětí (VC) a proud (IC):
   1. Napětí vázané přes kapacitní impedanci je dáno rovnicí (4), kde RV představuje paralelní hodnotuodpor na blízkém konciaodpor na vzdáleném koncizrušený obvod.
   2. Sériový odpor díky indukční vazbě: Pokud je ve zdroji rušení šum v běžném režimu, interline rušení se obecně objevuje jak v běžném režimu, tak v diferenciálním režimu.
5. Spojka elektrického vedení: K tomuto jevu dochází, když elektrické vedení přenáší rušení na jiná zařízení poté, co bylo vystavenoelektromagnetické rušeníz AC nebo DC zdroj energieTo představuje nepřímou formu rušení napájecího zdroje vysokofrekvenční obvods. Je důležité poznamenat, že šum napájecího zdroje nemusí být nutně generován sám, ale může být také důsledkem indukce vnějšího rušení, což vede k superpozici (vyzařovanému nebo vedenému) šumu, který sám vytváří, a tím k interferenci s jinými obvody nebo zařízeními.

• Protiopatření k odstranění rušení napájecího zdroje

S ohledem na výše analyzované různé projevy a příčiny rušení napájecího zdroje lze specificky narušit podmínky vedoucí k šumu napájecího zdroje a účinně potlačit rušení. Doporučují se následující řešení:

• Pozor naDeska skrz dírus: Nutné průchozí otvoryleptací otvors nanapájecí vrstvapřizpůsobit jejich průchodu. Pokud je otvor výkonové vrstvy příliš velký, může to ovlivnit signálovou smyčku, vynutit si přemostění signálu a zvětšit plochu smyčky a šum. Pokud jsou určité signálové linky soustředěny v blízkosti otvoru a sdílejí tuto smyčku, společná impedance může vést k přeslechům.
• Dostatečný zemnící vodič pro kabely: Každý signál vyžaduje vlastní vyhrazenou signálovou smyčku, přičemž oblast signálu a smyčky je co nejmenší, což zajišťuje paralelní zarovnání.
• Umístění filtru šumu napájecího zdroje: Tento filtr účinně potlačuje vnitřní šum napájecího zdroje a zlepšuje systémproti rušenía bezpečnost. Slouží jako obousměrnýRF filtr, odfiltrování rušení způsobeného elektrickým vedením (zabraňující rušení od jiných zařízení) a šumu generovaného samotným (aby se zabránilo rušení s jinými zařízeními), stejně jako rušení v běžném režimu v křížovém režimu.
• Izolace napájeníTransformátor: Toto izoluje zemní smyčku společného režimunapájecí smyčka nebo signální kabel, účinně odděluje proud smyčky v běžném režimu generovaný při vysokých frekvencích.
• Regulace napájení: Obnovení čistšího napájení může výrazně snížit hluk napájecího zdroje.
• Zapojení: Vstupní a výstupní vedení napájecího zdroje by měly být umístěny mimo okraj dielektrické desky, aby se zabránilo generování záření a rušení jiných obvodů nebo zařízení.
• Samostatné analogové a digitální napájecí zdroje: Vysokofrekvenční zařízení jsou obecně velmi citlivá na digitální šum, takže by měla být izolována a propojena na vstupu napájení. Pokud signál potřebuje procházet jak analogovou, tak digitální doménou, může být přes signál umístěna smyčka, aby se zmenšila oblast smyčky.
• Vyhněte se překrývání samostatných napájecích zdrojů mezi různými vrstvami: Pokuste se je rozložit, abyste zabránili snadnému propojení šumu napájecího zdroje prostřednictvím parazitní kapacity.
• Izolujte citlivé součásti: Součásti, jako jsou smyčky fázového závěsu (PLL), jsou vysoce citlivé na šum napájecího zdroje a měly by být umístěny co nejdále od napájecího zdroje.
• Umístění napájecího kabelu: Umístění napájecího vedení vedle signálového vedení může snížit signálovou smyčku a dosáhnout snížení šumu.
• Uzemnění cesty přemostění: Aby se zabránilo akumulovanému šumu způsobenému rušením napájecího zdroje na desce plošných spojů a externím rušením napájecího zdroje, může být přemosťovací cesta uzemněna na rušivé cestě (s výjimkou vyzařování), což umožňuje přemostění šumu na zem a zabraňuje rušení další zařízení a vybavení.

Na závěr:Šum napájecího zdroje, ať už je generován přímo nebo nepřímo z napájecího zdroje, ruší obvod. Při potlačování jeho vlivu na obvod by se měla dodržovat obecná zásada: minimalizovat dopad šumu napájecího zdroje na obvod a zároveň omezit vliv vnějších faktorů nebo obvodu na napájecí zdroj, aby se zabránilo degradaci šumu napájecího zdroje.