Analiza i ublažavanje buke napajanja u procesu projektiranja visokofrekventnih tiskanih ploča

U visokofrekventni PCBs, šum napajanja ističe se kao značajan oblik smetnje. Ovaj članak provodi sveobuhvatnu analizu karakteristika i podrijetla buke napajanja u visokofrekventnim PCB pločama i nudi praktična i učinkovita rješenja temeljena na inženjerskim primjenama.

A.Analiza buke napajanja

Buka napajanja odnosi se na buku koju stvara ili ometa samo napajanje. Ova smetnja je očita u sljedećim aspektima:

1. Raspodjela buke koja proizlazi izinherentna impedancijanapajanja. U visokofrekventnim krugovima, šum napajanja značajno utječe na visokofrekventne signale. Stoga je početni zahtjev niska razina bukenapajanje. Jednako su važni čisto tlo i napajanje.

U idealnom scenariju, napajanje bi bilobez impedancije, što rezultira bez buke. Međutim, u praksi, izvor napajanja posjeduje određenu impedanciju, koja je raspoređena preko cijelog izvora napajanja, što dovodi do superpozicije šuma. Stoga se treba potruditi smanjiti impedanciju napajanja. Poželjno je imati namjenski pogonski avioniuzemljena ravnina. U dizajnu visokofrekventnih krugova općenito je učinkovitije projektirati napajanje u slojevima, a ne u formatu sabirnice, osiguravajući da petlja dosljedno slijedi putanju s najmanjom impedancijom. Dodatno, ploča napajanja pruža asignalna petljaza sve signale generirane i primljene na PCB-u, čime se minimizira petlja signala i smanjuje šum.

2. Interferencija polja zajedničkog načina rada: Ova vrsta smetnje odnosi se na buku između napajanja i uzemljenja. Nastaje zbog smetnji uzrokovanih petljom formiranom od poremećenog strujnog kruga i zajedničkog napona koji proizlazi iz zajedničke referentne površine. Veličina ovisi o relativnim električnim i magnetskim poljima, a intenzitet mu je relativno nizak.

U ovom scenariju, smanjenje struje (Ic) dovodi do zajedničkog napona u serijistrujna petlja, utječući na prijemni odjeljak. Ako jemagnetsko poljeprevladava, zajednički napon generiran u serijskoj petlji uzemljenja dan je formulom:

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

zaelektromagnetsko polje, kada je električno polje poznata vrijednost, inducirani napon je dan jednadžbom (2), koja je općenito primjenjiva kada je L=150/F ili manje, pri čemu F predstavljafrekvencija elektromagnetskih valovau MHz. Ako se ova granica prekorači, izračun maksimalnog induciranog napona može se pojednostaviti na sljedeći način:

3. Interferencija polja diferencijalnog načina rada: Ovo se odnosi na interferenciju između napajanja iulazni i izlazni vod napajanjas. U stvarnom dizajnu PCB-a, autor je primijetio da je njegov doprinos šumu napajanja minimalan, pa se stoga ovdje može izostaviti.
4. Međulinijska smetnja: Ova vrsta smetnje odnosi se na smetnje između električnih vodova. Kada postoji međusobni kapacitet (C) i međusobni induktivitet (M1-2) između dva različita paralelna kruga, smetnja će se očitovati u interferiranom krugu ako postoji napon (VC) i struja (IC) u krugu izvora smetnje:
   1. Napon spojen kroz kapacitivnu impedanciju dan je jednadžbom (4), gdje RV predstavlja paralelnu vrijednostotpor blizu krajaiudaljeni otporodinterferirani krug.
   2. Serijski otpor kroz induktivnu spregu: Ako u izvoru smetnje postoji šum uobičajenog načina rada, međulinijska smetnja općenito se pojavljuje iu zajedničkom načinu rada iu diferencijalnom načinu rada.
5. Spojnica dalekovoda: Ovaj fenomen se događa kada dalekovod prenosi smetnje na druge uređaje nakon što je bio izloženelektromagnetske smetnjeiz izmjenične ili istosmjerne struje izvor napajanjaOvo predstavlja neizravan oblik smetnje šumom napajanja visokofrekventni krugs. Važno je napomenuti da buka napajanja ne mora nužno biti sama generirana, već također može biti posljedica indukcije vanjske smetnje, što dovodi do superpozicije (isijane ili provedene) buke koju sam generira, čime ometa druge krugove ili uređaje.

• Protumjere za uklanjanje smetnji u šumu napajanja

Uzimajući u obzir različite manifestacije i uzroke smetnji u napajanju električnom energijom analiziranih gore, uvjeti koji dovode do buke u napajanju električnom energijom mogu se posebno poremetiti, učinkovito potiskujući smetnje. Preporučuju se sljedeća rješenja:

• Pozornost naPloča kroz rupus: Kroz rupe nužneotvor za jetkanjes nasloj napajanjakako bi im se omogućio prolaz. Ako je otvor sloja snage prevelik, to može utjecati na signalnu petlju, prisiljavajući signal na zaobilaženje i povećavajući područje petlje i šum. Ako su određene signalne linije koncentrirane blizu otvora i dijele ovu petlju, zajednička impedancija može dovesti do preslušavanja.
• Dovoljna žica za uzemljenje za kabele: Svaki signal zahtijeva vlastitu namjensku signalnu petlju, pri čemu je područje signala i petlje što je moguće manje, osiguravajući paralelno poravnanje.
• Postavljanje filtra za buku napajanja: Ovaj filtar učinkovito potiskuje buku unutarnjeg napajanja, poboljšavajući sustavprotiv smetnjii sigurnost. Služi kao dvosmjerniRF filter, filtrirajući smetnje buke dovedene iz dalekovoda (sprječavajući smetnje od drugih uređaja) i buke koju sam stvara (kako bi se izbjegle smetnje s drugim uređajima), kao i smetnje zajedničkog načina rada u više načina rada.
• Izolacija napajanjaTransformator: Ovo izolira zajednički način uzemljenjasignalni kabel strujne petlje, učinkovito odvajajući struju petlje zajedničkog načina rada generiranu na visokim frekvencijama.
• Regulacija napajanja: Vraćanje čišćeg napajanja može značajno smanjiti buku napajanja.
• Ožičenje: Ulazne i izlazne vodove napajanja treba držati podalje od ruba dielektrične ploče kako bi se izbjeglo stvaranje zračenja i ometanje drugih krugova ili opreme.
• Odvojeni analogni i digitalni izvori napajanja: Visokofrekventni uređaji općenito su vrlo osjetljivi na digitalni šum, pa ih treba izolirati i spojiti zajedno na ulazu napajanja. Ako signal treba prijeći i analognu i digitalnu domenu, može se postaviti petlja preko signala kako bi se smanjilo područje petlje.
• Izbjegavajte preklapanje zasebnih izvora napajanja između različitih slojeva: pokušajte ih rasporediti kako biste spriječili lako spajanje buke napajanja putem parazitskog kapaciteta.
• Izolirajte osjetljive komponente: Komponente kao što su fazno zaključane petlje (PLL) vrlo su osjetljive na šum napajanja i treba ih držati što dalje od izvora napajanja.
• Postavljanje kabela za napajanje: postavljanjem vodova za napajanje uz signalnu liniju može se smanjiti signalna petlja i postići smanjenje šuma.
• Uzemljenje staze premosnice: Kako bi se spriječila akumulirana buka uzrokovana smetnjama napajanja na tiskanoj ploči i smetnjama vanjskog napajanja, staza premosnice može se uzemljiti na stazi smetnji (isključujući zračenje), omogućujući premosnicu buke na uzemljenje i izbjegavanje smetnji s ostali uređaji i oprema.

U zaključku:Buka napajanja, generirana izravno ili neizravno iz napajanja, ometa strujni krug. Pri suzbijanju njegovog utjecaja na strujni krug treba se pridržavati općeg načela: minimizirati utjecaj buke napajanja na strujni krug, a istovremeno smanjiti utjecaj vanjskih čimbenika ili strujnog kruga na napajanje kako bi se spriječila degradacija buke napajanja.