Análise e mitigación do ruído da fonte de alimentación no proceso de deseño de PCB de alta frecuencia

En PCB de alta frecuencias, o ruído da fonte de alimentación destaca como unha forma significativa de interferencia. Este artigo realiza unha análise exhaustiva das características e orixes do ruído da fonte de alimentación nos PCB de alta frecuencia e ofrece solucións prácticas e eficaces baseadas en aplicacións de enxeñería.

A.Análise do ruído da fonte de alimentación

O ruído da fonte de alimentación refírese ao ruído xerado ou interrompido pola propia fonte de alimentación. Esta interferencia é evidente nos seguintes aspectos:

1. Ruído distribuído resultante daimpedancia inherenteda fonte de alimentación. Nos circuítos de alta frecuencia, o ruído da fonte de alimentación afecta significativamente os sinais de alta frecuencia. Polo tanto, o requisito inicial é un baixo ruídofonte de alimentación. Igualmente cruciais son o chan limpo e a fonte de enerxía.

Nun escenario ideal, a fonte de alimentación seríalibre de impedancia, sen producir ruído. Non obstante, na práctica, a fonte de alimentación posúe unha certa impedancia, que se distribúe por toda a fonte de alimentación, o que leva á superposición de ruído. Polo tanto, débese facer esforzos para minimizar a impedancia da fonte de alimentación. É preferible ter un dedicado avión de potenciaeplano de terra. No deseño de circuítos de alta frecuencia, é xeralmente máis eficaz deseñar a fonte de alimentación en capas que nun formato de bus, garantindo que o bucle siga de forma consistente o camiño coa menor impedancia. Ademais, a placa de alimentación proporciona unbucle de sinalpara todos os sinais xerados e recibidos na PCB, minimizando así o bucle de sinal e reducindo o ruído.

2. Interferencia de campo de modo común: este tipo de interferencia refírese ao ruído entre a fonte de alimentación e a terra. Xorde da interferencia causada por un bucle formado polo circuíto interrompido e a tensión de modo común resultante da superficie de referencia común. A magnitude depende dos campos eléctricos e magnéticos relativos, e a súa intensidade é relativamente baixa.

Neste escenario, a diminución da corrente (Ic) leva a unha tensión de modo común na seriebucle actual, afectando a sección receptora. Se ocampo magnéticopredomina, a tensión de modo común xerada no bucle de terra en serie vén dada pola fórmula:

ΔB na fórmula (1) representa o cambio na intensidade da indución magnética, medida en Wb/m²; S indica a área en m².

Para uncampo electromagnético, cando o campo eléctrico coñecido, a tensión inducida vén dada pola ecuación (2), que é xeralmente aplicable cando L=150/F ou menos, sendo F representando ofrecuencia de ondas electromagnéticasen MHz. Se se supera este límite, o cálculo da tensión máxima inducida pódese simplificar do seguinte xeito:

3. Interferencia de campo de modo diferencial: refírese á interferencia entre a fonte de alimentación e aliña de alimentación de entrada e saídas. No deseño real de PCB, o autor observou que a súa contribución ao ruído da fonte de alimentación é mínima e, polo tanto, pódese omitir aquí.
4. Interferencia entre liñas: Este tipo de interferencia refírese á interferencia entre liñas eléctricas. Cando hai capacidade mutua (C) e inductancia mutua (M1-2) entre dous circuítos paralelos diferentes, a interferencia manifestarase no circuíto interferido se hai tensión (VC) e corrente (IC) no circuíto fonte de interferencia:
   1. A tensión acoplada a través da impedancia capacitiva vén dada pola ecuación (4), onde RV representa o valor paralelo daresistencia próximae oresistencia extremadacircuíto interferido.
   2. Resistencia en serie mediante acoplamento indutivo: se hai ruído de modo común na fonte de interferencia, a interferencia entre liñas xeralmente aparece tanto en modo común como en modo diferencial.
5. Acoplamento da liña eléctrica: Este fenómeno prodúcese cando a liña eléctrica transmite interferencias a outros dispositivos despois de ser sometidainterferencia electromagnéticade CA ou CC fonte de enerxíaIsto representa unha forma indirecta de interferencia de ruído da fonte de alimentación circuíto de alta frecuencias. É importante ter en conta que o ruído da fonte de alimentación pode non ser necesariamente xerado por si mesmo, senón que tamén pode ser o resultado da indución de interferencias externas, o que provoca a superposición (irradiada ou conducida) do ruído xerado por si mesmo, interferindo así con outros circuítos ou dispositivos.

• Contramedidas para eliminar a interferencia do ruído da fonte de alimentación

Tendo en conta as diversas manifestacións e causas da interferencia de ruído da fonte de alimentación analizadas anteriormente, as condicións que conducen ao ruído da fonte de alimentación poden interromperse especificamente, suprimindo efectivamente a interferencia. Recoméndase as seguintes solucións:

• Atención aTaboleiro a través do buratos: Os buratos pasantes precisanabertura de gravados nocapa de alimentaciónpara acomodar o seu paso. Se a abertura da capa de enerxía é demasiado grande, pode afectar o bucle de sinal, forzando o sinal a evitar e aumentar a área do bucle e o ruído. Se certas liñas de sinal se concentran preto da abertura e comparten este bucle, a impedancia común pode provocar unha diafonía.
• Fío de terra suficiente para cables: cada sinal require o seu propio bucle de sinal dedicado, mantendo o sinal e a área do bucle o menor posible, garantindo o aliñamento paralelo.
• Colocación do filtro de ruído da fonte de alimentación: este filtro suprime eficazmente o ruído da fonte de alimentación interna, mellorando o sistemaanti-interferenciae seguridade. Serve como bidireccionalFiltro RF, filtrando as interferencias de ruído introducidas desde a liña eléctrica (evitando as interferencias doutros dispositivos) e o ruído xerado por si mesmo (para evitar interferencias con outros dispositivos), así como as interferencias de modo común en modo cruzado.
• Illamento de enerxíaTransformador: Isto illa o bucle de terra de modo común docable de sinal de bucle de alimentación, separando efectivamente a corrente de bucle de modo común xerada a altas frecuencias.
• Regulación de enerxía: restaurar unha fonte de enerxía máis limpa pode reducir significativamente o ruído da fonte de enerxía.
• Cableado: as liñas de entrada e saída da fonte de alimentación deben manterse afastadas do bordo da placa dieléctrica para evitar xerar radiación e interferir con outros circuítos ou equipos.
• Fontes de alimentación analóxicas e dixitais separadas: os dispositivos de alta frecuencia son xeralmente moi sensibles ao ruído dixital, polo que os dous deben estar illados e conectados xuntos na entrada da fonte de alimentación. Se un sinal necesita atravesar dominios analóxicos e dixitais, pódese colocar un bucle a través do sinal para reducir a área do bucle.
• Evite a superposición de fontes de alimentación separadas entre diferentes capas: intente escalonalas para evitar que o ruído da fonte de alimentación se acople facilmente mediante a capacidade parasitaria.
• Illar compoñentes sensibles: os compoñentes como os bucles de bloqueo de fase (PLL) son moi sensibles ao ruído da fonte de alimentación e deben manterse o máis lonxe posible da fonte de alimentación.
• Colocación do cable de alimentación: colocar unha liña eléctrica xunto á liña de sinal pode reducir o bucle de sinal e conseguir unha redución de ruído.
• Conexión a terra da ruta de derivación: para evitar o ruído acumulado causado pola interferencia da fonte de alimentación na placa de circuíto e a interferencia da fonte de alimentación externa, a ruta de derivación pódese conectar a terra na ruta de interferencia (excluída a radiación), permitindo que o ruído se desvíe ao chan e evite interferencias co chan. outros dispositivos e equipos.

En conclusión:O ruído da fonte de alimentación, xa sexa xerado directa ou indirectamente pola fonte de alimentación, interfire co circuíto. Ao suprimir a súa influencia no circuíto, débese seguir un principio xeral: minimizar o impacto do ruído da fonte de alimentación no circuíto ao mesmo tempo que se reduce a influencia de factores externos ou do circuíto na fonte de alimentación para evitar a degradación do ruído da fonte de alimentación.