ניתוח והפחתה של רעשי אספקת חשמל בתהליך עיצוב PCB בתדר גבוה

ב PCB בתדר גבוהs, רעש אספקת החשמל בולט כצורה משמעותית של הפרעות. מאמר זה עורך ניתוח מקיף של המאפיינים והמקורות של רעשי אספקת החשמל ב-PCB בתדר גבוה, ומציע פתרונות מעשיים ויעילים המבוססים על יישומים הנדסיים.

א.ניתוח רעשי אספקת החשמל

רעש אספקת החשמל מתייחס לרעש שנוצר או מופרע על ידי ספק הכוח עצמו. הפרעה זו ניכרת בהיבטים הבאים:

1. רעש מבוזר הנובע מהעכבה אינהרנטיתשל ספק הכוח. במעגלים בתדר גבוה, רעש אספקת החשמל משפיע באופן משמעותי על אותות בתדר גבוה. לכן, הדרישה הראשונית היא רעש נמוךספק כוח. חשובים לא פחות הם קרקע נקייה ואספקת חשמל.

בתרחיש אידיאלי, ספק הכוח יהיהללא עכבה, וכתוצאה מכך אין רעש. עם זאת, בפועל, לספק הכוח יש עכבה מסוימת, אשר מפוזרת על פני כל ספק הכוח, מה שמוביל לעלייה של רעש. לפיכך, יש לעשות מאמצים למזער את עכבת אספקת החשמל. עדיף שיהיה ייעודי מטוס כוחומישור הארקה. בתכנון מעגלים בתדר גבוה, בדרך כלל יעיל יותר לתכנן את ספק הכוח בשכבות ולא בפורמט אפיק, מה שמבטיח שהלולאה עוקבת באופן עקבי אחר הנתיב עם הכי פחות עכבה. בנוסף, לוח החשמל מספק אלולאת אותעבור כל האותות שנוצרו ומתקבלים על ה-PCB, ובכך למזער את לולאת האות ולהפחית את הרעש.

2. הפרעות שדה נפוצות: סוג זה של הפרעות נוגע לרעש בין ספק הכוח לאדמה. זה נובע מההפרעה הנגרמת על ידי לולאה שנוצרה על ידי המעגל המשובש ומתח המצב המשותף הנובע ממשטח הייחוס המשותף. הגודל תלוי בשדות החשמליים והמגנטיים היחסיים, ועוצמתו נמוכה יחסית.

בתרחיש זה, הירידה בזרם (Ic) מובילה למתח משותף בסדרהלולאה נוכחית, המשפיע על קטע המקבל. אם השדה מגנטישולט, מתח המצב המשותף שנוצר בלולאת ההארקה בסדרה ניתן על ידי הנוסחה:

ΔB בנוסחה (1) מייצג את השינוי בעוצמת האינדוקציה המגנטית, נמדד ב-Wb/m²; S מציין את השטח ב-m².

עבור אשדה אלקטרומגנטי, כאשר ה שדה חשמלי הערך ידוע, המתח המושרה ניתן על ידי משוואה (2), אשר ישימה בדרך כלל כאשר L=150/F או פחות, כאשר F מייצג אתתדר גלים אלקטרומגנטייםב-MHz. אם חריגה ממגבלה זו, ניתן לפשט את חישוב המתח המושרה המרבי באופן הבא:

3. הפרעות שדה במצב דיפרנציאלי: זה מתייחס להפרעה בין ספק הכוח לביןקו מתח כניסה ויציאהס. בתכנון PCB בפועל, המחבר הבחין כי תרומתו לרעש אספקת החשמל היא מינימלית, ולכן ניתן להשמיט אותה כאן.
4. הפרעות בין קווים: סוג זה של הפרעות נוגע להפרעות בין קווי מתח. כאשר יש קיבול הדדי (C) והשראות הדדית (M1-2) בין שני מעגלים מקבילים שונים, ההפרעה תתבטא במעגל המופרע אם יש מתח (VC) וזרם (IC) במעגל מקור ההפרעה:
   1. המתח המצורף דרך העכבה הקיבולית ניתן על ידי משוואה (4), כאשר RV מייצג את הערך המקביל של ה-התנגדות קרובהואתהתנגדות מרחוקשלמעגל מופרע.
   2. התנגדות סדרתית באמצעות צימוד אינדוקטיבי: אם יש רעש של מצב משותף במקור ההפרעה, הפרעות הקו מופיעות בדרך כלל הן במצב משותף והן במצב דיפרנציאלי.
5. חיבור קו חשמל: תופעה זו מתרחשת כאשר קו החשמל משדר הפרעות למכשירים אחרים לאחר שהוא נתוןהפרעות אלקטרומגנטיותמ AC או DC מקור כוחזה מייצג צורה עקיפה של הפרעות רעש באספקת החשמל מעגל בתדר גבוהס. חשוב לציין שרעש של אספקת החשמל לא בהכרח נוצר בעצמו, אלא עלול גם לנבוע מהשראת הפרעות חיצוניות, מה שמוביל להצבה (מוקרנת או מוליך) של רעש שנוצר מעצמו, ובכך להפריע למעגלים או להתקנים אחרים.

• אמצעי נגד לביטול הפרעות רעש של אספקת החשמל

בהתחשב בביטויים והגורמים השונים להפרעות רעשי אספקת החשמל שניתחו לעיל, התנאים המובילים לרעש אספקת החשמל יכולים להיות מופרעים באופן ספציפי, ולמעשה לדכא את ההפרעה. הפתרונות הבאים מומלצים:

• תשומת לב ללוח דרך חורs: דרך חורים מחייביםפתח תחריטs עלשכבת אספקת החשמלכדי להתאים את המעבר שלהם. אם פתח שכבת החשמל גדול מדי, זה יכול להשפיע על לולאת האות, לאלץ את האות לעקוף ולהגדיל את שטח הלולאה והרעש. אם קווי אות מסוימים מרוכזים ליד הפתח וחולקים לולאה זו, עכבה משותפת עלולה להוביל להצלבה.
• חוט הארקה מספיק עבור כבלים: כל אות דורש לולאת אות ייעודית משלו, כאשר אזור האות והלולאה נשמרים כמה שיותר קטנים, מה שמבטיח יישור מקביל.
• מיקום מסנן רעשי אספקת החשמל: מסנן זה מדכא ביעילות רעשי אספקת חשמל פנימיים, ומשפר את המערכתנגד הפרעותובטיחות. זה משמש דו-כיוונימסנן RF, סינון הפרעות רעש המוכנסות מקו החשמל (מניעת הפרעות ממכשירים אחרים) ורעש שנוצר מעצמו (כדי למנוע הפרעות להתקנים אחרים), כמו גם הפרעות במצב משותף צולב.
• בידוד חשמלשַׁנַאי: זה מבודד את לולאת ההארקה במצב משותף של ה-כבל אות לופור של ספק כוח, המפריד למעשה את זרם הלולאה המשותף הנוצר בתדרים גבוהים.
• ויסות חשמל: שחזור ספק כוח נקי יותר יכול להפחית באופן משמעותי את רעש אספקת החשמל.
• חיווט: יש להרחיק את קווי הקלט והיציאה של ספק הכוח מקצה הלוח הדיאלקטרי כדי למנוע יצירת קרינה והפרעה למעגלים או לציוד אחר.
• ספקי כוח אנלוגיים ודיגיטליים נפרדים: התקנים בתדר גבוה הם בדרך כלל רגישים מאוד לרעש דיגיטלי, ולכן יש לבודד את השניים ולחברם יחד בכניסה לאספקת החשמל. אם אות צריך לחצות תחומים אנלוגיים ודיגיטליים כאחד, ניתן למקם לולאה על פני האות כדי לצמצם את שטח הלולאה.
• הימנע מחפיפה של ספקי כוח נפרדים בין שכבות שונות: נסה לסובב אותם כדי למנוע חיבור קל של רעשי אספקת החשמל באמצעות קיבול טפילי.
• בודדים רכיבים רגישים: רכיבים כגון לולאות נעולות פאזה (PLLs) רגישים מאוד לרעש של אספקת החשמל ויש להרחיק אותם ככל האפשר מאספקת החשמל.
• מיקום כבל חשמל: הצבת קו מתח לצד קו האות, יכולה להפחית את לולאת האות ולהשיג הפחתת רעש.
• הארקת נתיב עוקף: כדי למנוע רעש מצטבר הנגרם מהפרעות אספקת החשמל במעגל והפרעות אספקת החשמל החיצונית, ניתן להארק את נתיב המעקף על נתיב ההפרעות (למעט קרינה), מה שמאפשר לעקוף את הרעש לאדמה ולמנוע הפרעות עם מכשירים וציוד אחרים.

לסיכום:רעש אספקת החשמל, בין אם נוצר ישירות או בעקיפין מאספקת החשמל, מפריע למעגל. כאשר מדכאים את השפעתו על המעגל, יש להקפיד על עיקרון כללי: צמצם למינימום את ההשפעה של רעש אספקת החשמל על המעגל תוך הפחתת ההשפעה של גורמים חיצוניים או המעגל על ​​אספקת החשמל כדי למנוע השפלה של רעשי אספקת החשמל.