Analyse og demping av strømforsyningsstøy i høyfrekvent PCB-designprosess

I høyfrekvente PCBs, strømforsyningsstøy skiller seg ut som en betydelig form for interferens. Denne artikkelen gjennomfører en omfattende analyse av egenskapene og opprinnelsen til strømforsyningsstøy i høyfrekvente PCB-er, og tilbyr praktiske og effektive løsninger basert på ingeniørapplikasjoner.

EN.Analyse av strømforsyningsstøy

Strømforsyningsstøy refererer til støyen som genereres eller forstyrres av selve strømforsyningen. Denne forstyrrelsen er tydelig i følgende aspekter:

1. Distribuert støy som følge aviboende impedansav strømforsyningen. I høyfrekvente kretser påvirker strømforsyningsstøy høyfrekvente signaler betydelig. Derfor er det første kravet lavt støynivåstrømforsyning. Like avgjørende er ren jord og strømforsyning.

I et ideelt scenario ville strømforsyningen væreimpedansfri, noe som resulterer i ingen støy. Imidlertid har strømforsyningen i praksis en viss impedans, som er fordelt over hele strømforsyningen, noe som fører til overlagring av støy. Derfor bør det gjøres en innsats for å minimere strømforsyningsimpedansen. Det er å foretrekke å ha en dedikert kraftflyogbakkeplan. I høyfrekvent kretsdesign er det generelt mer effektivt å designe strømforsyningen i lag i stedet for i et bussformat, for å sikre at sløyfen konsekvent følger banen med minst impedans. I tillegg gir strømkortet ensignalsløyfefor alle signaler som genereres og mottas på PCB, og derved minimerer signalsløyfen og reduserer støy.

2. Feltinterferens i fellesmodus: Denne typen interferens gjelder støyen mellom strømforsyningen og bakken. Det oppstår fra interferensen forårsaket av en sløyfe dannet av den forstyrrede kretsen og fellesmodusspenningen som er et resultat av den felles referanseoverflaten. Størrelsen avhenger av de relative elektriske og magnetiske feltene, og intensiteten er relativt lav.

I dette scenariet fører reduksjonen i strøm (Ic) til en fellesmodusspenning i serienstrømsløyfe, som påvirker mottaksdelen. Hvismagnetisk feltdominerer, er fellesmodusspenningen generert i seriejordsløyfen gitt av formelen:

ΔB i formel (1) representerer endringen i magnetisk induksjonsintensitet, målt i Wb/m²; S betegner området i m².

For enelektromagnetisk felt, når elektrisk felt verdien er kjent, er den induserte spenningen gitt av ligning (2), som er generelt anvendelig når L=150/F eller mindre, med F som representererelektromagnetisk bølgefrekvensi MHz. Hvis denne grensen overskrides, kan beregningen av maksimal indusert spenning forenkles som følger:

3. Differensiell modus feltinterferens: Dette refererer til interferensen mellom strømforsyningen oginngangs- og utgangslednings. I faktisk PCB-design observerte forfatteren at bidraget til strømforsyningsstøy er minimalt, og kan derfor utelates her.
4. Interline interferens: Denne typen interferens gjelder interferens mellom kraftledninger. Når det er gjensidig kapasitans (C) og gjensidig induktans (M1-2) mellom to forskjellige parallellkretser, vil interferensen manifestere seg i den interfererte kretsen hvis det er spenning (VC) og strøm (IC) i interferenskildekretsen:
   1. Spenningen koblet gjennom den kapasitive impedansen er gitt av ligning (4), der RV representerer parallellverdien tilnær-ende motstandog denytterste motstandavforstyrret krets.
   2. Seriemotstand gjennom induktiv kobling: Hvis det er vanlig modusstøy i interferenskilden, vises interlinjeforstyrrelsen generelt i både fellesmodus og differensialmodus.
5. Kraftledningskobling: Dette fenomenet oppstår når strømledningen overfører forstyrrelser til andre enheter etter å ha blitt utsatt forelektromagnetisk interferensfra AC eller DC strømkildeDette representerer en indirekte form for strømforsyningsstøyinterferens på høyfrekvent kretss. Det er viktig å merke seg at strømforsyningsstøy ikke nødvendigvis er selvgenerert, men kan også skyldes ekstern interferensinduksjon, som fører til overlagring (utstrålt eller ledet) av støy som genereres av seg selv, og dermed forstyrre andre kretser eller enheter.

• Mottiltak for å eliminere strømforsyningsstøyforstyrrelser

Tatt i betraktning de ulike manifestasjonene og årsakene til strømforsyningsstøyinterferens analysert ovenfor, kan forholdene som fører til strømforsyningsstøy bli spesifikt forstyrret, og effektivt undertrykke interferensen. Følgende løsninger anbefales:

• Oppmerksomhet tilBrett gjennom hulls: Gjennomgående hull nødvendigetsende åpnings påstrømforsyningslagfor å imøtekomme deres passasje. Hvis kraftlagets åpning er for stor, kan det påvirke signalsløyfen, tvinge signalet til å omgå og øke sløyfearealet og støyen. Hvis visse signallinjer er konsentrert nær åpningen og deler denne sløyfen, kan felles impedans føre til krysstale.
• Tilstrekkelig jordledning for kabler: Hvert signal krever sin egen dedikerte signalsløyfe, med signal- og sløyfeområdet holdt så lite som mulig, noe som sikrer parallell justering.
• Plassering av strømforsyningsstøyfilter: Dette filteret undertrykker effektivt intern strømforsyningsstøy, og forbedrer systemetanti-interferensog sikkerhet. Den fungerer som en toveisRF filter, filtrering av støyinterferens introdusert fra kraftledningen (forhindrer interferens fra andre enheter) og støy som genereres av seg selv (for å unngå interferens med andre enheter), samt kryss-modus common mode interferens.
• StrømisolasjonTransformator: Dette isolerer common-mode jordsløyfen tilstrømforsyningssløyfe eller signalkabel, som effektivt skiller common-mode loop-strøm generert ved høye frekvenser.
• Strømregulering: Å gjenopprette en renere strømforsyning kan redusere strømforsyningsstøy betraktelig.
• Kabling: Inngangs- og utgangslinjene til strømforsyningen bør holdes unna kanten av det dielektriske kortet for å unngå å generere stråling og forstyrre andre kretser eller utstyr.
• Separate analoge og digitale strømforsyninger: Høyfrekvente enheter er generelt svært følsomme for digital støy, så de to bør isoleres og kobles sammen ved inngangen til strømforsyningen. Hvis et signal må krysse både analoge og digitale domener, kan en sløyfe plasseres over signalet for å redusere sløyfeområdet.
• Unngå overlapping av separate strømforsyninger mellom forskjellige lag: Forsøk å forskyve dem for å forhindre at strømforsyningsstøy lett kobles gjennom parasittisk kapasitans.
• Isoler sensitive komponenter: Komponenter som faselåste sløyfer (PLLer) er svært følsomme for strømforsyningsstøy og bør holdes så langt unna strømforsyningen som mulig.
• Plassering av strømledning: Plassering av en strømledning ved siden av signalledningen kan redusere signalsløyfen og oppnå støyreduksjon.
• Bypass-banejording: For å forhindre akkumulert støy forårsaket av strømforsyningsinterferens på kretskortet og ekstern strømforsyningsinterferens, kan bypassbanen jordes på interferensbanen (unntatt stråling), slik at støyen kan omgås til bakken og unngå forstyrrelser med andre enheter og utstyr.

Som konklusjon:Strømforsyningsstøy, enten generert direkte eller indirekte fra strømforsyningen, forstyrrer kretsen. Når du undertrykker dens innflytelse på kretsen, bør et generelt prinsipp følges: minimer påvirkningen av strømforsyningsstøy på kretsen, samtidig som du reduserer påvirkningen av eksterne faktorer eller kretsen på strømforsyningen for å forhindre forringelse av strømforsyningsstøy.