Ανάλυση και μετριασμός του θορύβου τροφοδοσίας ρεύματος στη διαδικασία σχεδιασμού PCB υψηλής συχνότητας

Σε PCB υψηλής συχνότηταςs, ο θόρυβος του τροφοδοτικού ξεχωρίζει ως σημαντική μορφή παρεμβολής. Αυτό το άρθρο διεξάγει μια ολοκληρωμένη ανάλυση των χαρακτηριστικών και της προέλευσης του θορύβου τροφοδοσίας σε PCB υψηλής συχνότητας και προσφέρει πρακτικές και αποτελεσματικές λύσεις βασισμένες σε εφαρμογές μηχανικής.

ΕΝΑ.Ανάλυση θορύβου τροφοδοσίας

Ο θόρυβος τροφοδοσίας αναφέρεται στο θόρυβο που δημιουργείται ή διακόπτεται από το ίδιο το τροφοδοτικό. Αυτή η παρέμβαση είναι εμφανής στις ακόλουθες πτυχές:

1. Κατανεμημένος θόρυβος που προκύπτει από τοεγγενής αντίστασητου τροφοδοτικού. Σε κυκλώματα υψηλής συχνότητας, ο θόρυβος από την παροχή ρεύματος επηρεάζει σημαντικά τα σήματα υψηλής συχνότητας. Επομένως, η αρχική απαίτηση είναι ένας χαμηλός θόρυβοςτροφοδοτικό. Εξίσου κρίσιμα είναι το καθαρό έδαφος και η παροχή ρεύματος.

Σε ένα ιδανικό σενάριο, το τροφοδοτικό θα ήτανχωρίς αντίσταση, με αποτέλεσμα να μην υπάρχει θόρυβος. Ωστόσο, στην πράξη, το τροφοδοτικό διαθέτει μια συγκεκριμένη αντίσταση, η οποία κατανέμεται σε ολόκληρο το τροφοδοτικό, οδηγώντας στην υπέρθεση θορύβου. Ως εκ τούτου, θα πρέπει να καταβληθούν προσπάθειες για την ελαχιστοποίηση της σύνθετης αντίστασης τροφοδοσίας. Είναι προτιμότερο να έχετε ένα αφιερωμένο αεροπλάνο ισχύοςκαιεπίγειο επίπεδο. Στη σχεδίαση κυκλώματος υψηλής συχνότητας, είναι γενικά πιο αποτελεσματικό να σχεδιάζεται η τροφοδοσία ρεύματος σε επίπεδα και όχι σε μορφή διαύλου, διασφαλίζοντας ότι ο βρόχος ακολουθεί σταθερά τη διαδρομή με τη μικρότερη αντίσταση. Επιπλέον, η πλακέτα ισχύος παρέχει αβρόχος σήματοςγια όλα τα σήματα που παράγονται και λαμβάνονται στο PCB, ελαχιστοποιώντας έτσι τον βρόχο σήματος και μειώνοντας το θόρυβο.

2. Παρεμβολή πεδίου κοινής λειτουργίας: Αυτός ο τύπος παρεμβολής σχετίζεται με το θόρυβο μεταξύ του τροφοδοτικού και του εδάφους. Προκύπτει από την παρεμβολή που προκαλείται από έναν βρόχο που σχηματίζεται από το διαταραγμένο κύκλωμα και την τάση κοινού τρόπου λειτουργίας που προκύπτει από την κοινή επιφάνεια αναφοράς. Το μέγεθος εξαρτάται από τα σχετικά ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία και η έντασή του είναι σχετικά χαμηλή.

Σε αυτό το σενάριο, η μείωση του ρεύματος (Ic) οδηγεί σε τάση κοινής λειτουργίας στη σειράτρέχον βρόχο, επηρεάζοντας το τμήμα λήψης. Αν τομαγνητικό πεδίοκυριαρχεί, η τάση κοινής λειτουργίας που παράγεται στον βρόχο γείωσης σειράς δίνεται από τον τύπο:

Το ΔΒ στον τύπο (1) αντιπροσωπεύει την αλλαγή στην ένταση της μαγνητικής επαγωγής, μετρούμενη σε Wb/m²; Το S δηλώνει την περιοχή σε m².

Για έναηλεκτρομαγνητικό πεδίο, όταν το ηλεκτρικό πεδίο Η τιμή είναι γνωστή, η επαγόμενη τάση δίνεται από την εξίσωση (2), η οποία ισχύει γενικά όταν L=150/F ή λιγότερο, με το F να αντιπροσωπεύει τοσυχνότητα ηλεκτρομαγνητικών κυμάτωνσε MHz. Εάν ξεπεραστεί αυτό το όριο, ο υπολογισμός της μέγιστης επαγόμενης τάσης μπορεί να απλοποιηθεί ως εξής:

3. Παρεμβολή πεδίου διαφορικής λειτουργίας: Αυτό αναφέρεται στην παρεμβολή μεταξύ του τροφοδοτικού και τουγραμμή ρεύματος εισόδου και εξόδουμικρό. Στον πραγματικό σχεδιασμό PCB, ο συγγραφέας παρατήρησε ότι η συνεισφορά του στο θόρυβο της τροφοδοσίας είναι ελάχιστη, και επομένως μπορεί να παραλειφθεί εδώ.
4. Παρεμβολή διαγραμμών: Αυτός ο τύπος παρεμβολής αφορά την παρεμβολή μεταξύ γραμμών ηλεκτρικού ρεύματος. Όταν υπάρχει αμοιβαία χωρητικότητα (C) και αμοιβαία επαγωγή (M1-2) μεταξύ δύο διαφορετικών παράλληλων κυκλωμάτων, η παρεμβολή θα εμφανιστεί στο κύκλωμα παρεμβολής εάν υπάρχει τάση (VC) και ρεύμα (IC) στο κύκλωμα πηγής παρεμβολής:
   1. Η τάση που συνδέεται μέσω της χωρητικής αντίστασης δίνεται από την εξίσωση (4), όπου το RV αντιπροσωπεύει την παράλληλη τιμή τουαντίσταση κοντά στο τέλοςκαι τομακρινή αντίστασητουκύκλωμα παρεμβολής.
   2. Αντίσταση σειράς μέσω επαγωγικής σύζευξης: Εάν υπάρχει θόρυβος κοινού τρόπου λειτουργίας στην πηγή παρεμβολής, η παρεμβολή μεταξύ γραμμής εμφανίζεται γενικά τόσο σε κοινή λειτουργία όσο και σε διαφορική λειτουργία.
5. Σύζευξη γραμμών ισχύος: Αυτό το φαινόμενο συμβαίνει όταν η γραμμή τροφοδοσίας μεταδίδει παρεμβολές σε άλλες συσκευές αφού υποβληθεί σεηλεκτρομαγνητικές παρεμβολέςαπό AC ή DC πηγή ενέργειαςΑυτό αντιπροσωπεύει μια έμμεση μορφή παρεμβολής θορύβου τροφοδοσίας κύκλωμα υψηλής συχνότηταςμικρό. Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι ο θόρυβος από το τροφοδοτικό μπορεί να μην δημιουργείται απαραιτήτως από τον εαυτό του, αλλά μπορεί επίσης να προκύψει από επαγωγή εξωτερικών παρεμβολών, που οδηγεί στην υπέρθεση (ακτινοβολούμενη ή αγώγιμη) του θορύβου που δημιουργείται από μόνος του, παρεμποδίζοντας έτσι άλλα κυκλώματα ή συσκευές.

• Αντίμετρα για την εξάλειψη των παρεμβολών θορύβου τροφοδοσίας ρεύματος

Λαμβάνοντας υπόψη τις διάφορες εκδηλώσεις και τις αιτίες των παρεμβολών θορύβου τροφοδοσίας που αναλύθηκαν παραπάνω, οι συνθήκες που οδηγούν στον θόρυβο της τροφοδοσίας μπορούν να διαταραχθούν ειδικά, καταστέλλοντας αποτελεσματικά τις παρεμβολές. Συνιστώνται οι ακόλουθες λύσεις:

• Προσοχή σεBoard Through Holes: Μέσα από τρύπες απαιτείταιάνοιγμα χαρακτικήςs στοστρώμα τροφοδοσίαςγια να φιλοξενήσει το πέρασμά τους. Εάν το άνοιγμα του επιπέδου ισχύος είναι πολύ μεγάλο, μπορεί να επηρεάσει τον βρόχο σήματος, αναγκάζοντας το σήμα να παρακάμψει και αυξάνοντας την περιοχή βρόχου και τον θόρυβο. Εάν ορισμένες γραμμές σήματος είναι συγκεντρωμένες κοντά στο άνοιγμα και μοιράζονται αυτόν τον βρόχο, η κοινή αντίσταση μπορεί να οδηγήσει σε αλληλεπιδράσεις.
• Επαρκές καλώδιο γείωσης για καλώδια: Κάθε σήμα απαιτεί τον δικό του αποκλειστικό βρόχο σήματος, με την περιοχή σήματος και βρόχου να διατηρούνται όσο το δυνατόν μικρότερα, εξασφαλίζοντας παράλληλη ευθυγράμμιση.
• Τοποθέτηση φίλτρου θορύβου τροφοδοσίας: Αυτό το φίλτρο καταστέλλει αποτελεσματικά τον εσωτερικό θόρυβο τροφοδοσίας, ενισχύοντας το σύστημακατά των παρεμβολώνκαι ασφάλεια. Λειτουργεί ως αμφίδρομηΦίλτρο RF, φιλτράρισμα των παρεμβολών θορύβου που εισάγονται από το καλώδιο τροφοδοσίας (αποτροπή παρεμβολών από άλλες συσκευές) και του θορύβου που δημιουργείται από μόνος του (για την αποφυγή παρεμβολών με άλλες συσκευές), καθώς και παρεμβολών κοινής λειτουργίας cross-mode.
• Power IsolationΜετασχηματιστής: Αυτό απομονώνει τον βρόχο γείωσης κοινής λειτουργίας τουκαλώδιο σήματος βρόχου τροφοδοσίας, διαχωρίζοντας αποτελεσματικά το ρεύμα βρόχου κοινής λειτουργίας που παράγεται σε υψηλές συχνότητες.
• Ρύθμιση ισχύος: Η αποκατάσταση ενός καθαρότερου τροφοδοτικού μπορεί να μειώσει σημαντικά τον θόρυβο της τροφοδοσίας.
• Καλωδίωση: Οι γραμμές εισόδου και εξόδου του τροφοδοτικού πρέπει να διατηρούνται μακριά από την άκρη της διηλεκτρικής πλακέτας για να αποφευχθεί η δημιουργία ακτινοβολίας και η παρεμβολή με άλλα κυκλώματα ή εξοπλισμό.
• Ξεχωριστά αναλογικά και ψηφιακά τροφοδοτικά: Οι συσκευές υψηλής συχνότητας είναι γενικά πολύ ευαίσθητες στον ψηφιακό θόρυβο, επομένως τα δύο πρέπει να είναι απομονωμένα και συνδεδεμένα μεταξύ τους στην είσοδο του τροφοδοτικού. Εάν ένα σήμα πρέπει να διασχίσει τόσο τον αναλογικό όσο και τον ψηφιακό τομέα, μπορεί να τοποθετηθεί ένας βρόχος κατά μήκος του σήματος για να μειωθεί η περιοχή βρόχου.
• Αποφύγετε την επικάλυψη χωριστών τροφοδοτικών μεταξύ διαφορετικών επιπέδων: Προσπαθήστε να τα κλονίσετε για να αποτρέψετε την εύκολη σύζευξη του θορύβου του τροφοδοτικού μέσω της παρασιτικής χωρητικότητας.
• Απομόνωση ευαίσθητων εξαρτημάτων: Εξαρτήματα όπως οι βρόχοι κλειδώματος φάσης (PLL) είναι πολύ ευαίσθητα στο θόρυβο της παροχής ρεύματος και θα πρέπει να διατηρούνται όσο το δυνατόν πιο μακριά από το τροφοδοτικό.
• Τοποθέτηση καλωδίου τροφοδοσίας: Η τοποθέτηση μιας γραμμής ρεύματος δίπλα στη γραμμή σήματος, μπορεί να μειώσει τον βρόχο σήματος και να επιτύχει μείωση του θορύβου.
• Γείωση διαδρομής παράκαμψης: Για να αποφευχθεί ο συσσωρευμένος θόρυβος που προκαλείται από παρεμβολές τροφοδοσίας στην πλακέτα κυκλώματος και εξωτερική παρεμβολή τροφοδοσίας, η διαδρομή παράκαμψης μπορεί να γειωθεί στη διαδρομή παρεμβολής (εκτός ακτινοβολίας), επιτρέποντας την παράκαμψη του θορύβου στο έδαφος και αποφυγή παρεμβολών με άλλες συσκευές και εξοπλισμός.

Συμπέρασμα:Ο θόρυβος του τροφοδοτικού, είτε δημιουργείται άμεσα είτε έμμεσα από το τροφοδοτικό, παρεμβαίνει στο κύκλωμα. Κατά την καταστολή της επιρροής του στο κύκλωμα, θα πρέπει να ακολουθείται μια γενική αρχή: ελαχιστοποιήστε την επίδραση του θορύβου τροφοδοσίας στο κύκλωμα, ενώ παράλληλα μειώνετε την επίδραση εξωτερικών παραγόντων ή του κυκλώματος στην παροχή ρεύματος για να αποτρέψετε την υποβάθμιση του θορύβου τροφοδοσίας.