Analiza in ublažitev hrupa napajanja v procesu načrtovanja visokofrekvenčnega PCB

notri visokofrekvenčno PCBs, hrup napajanja izstopa kot pomembna oblika motenj. Ta članek izvaja celovito analizo značilnosti in izvora hrupa napajanja v visokofrekvenčnih PCB-jih ter ponuja praktične in učinkovite rešitve, ki temeljijo na inženirskih aplikacijah.

A.Analiza hrupa napajanja

Hrup napajalnika se nanaša na hrup, ki ga ustvarja ali moti sam napajalnik. Ta motnja je očitna v naslednjih vidikih:

1. Porazdeljeni hrup, ki je posledicainherentna impedancanapajanja. V visokofrekvenčnih tokokrogih šum napajanja močno vpliva na visokofrekvenčne signale. Zato je začetna zahteva nizka raven hrupanapajanje. Enako pomembna sta čista tla in napajanje.

V idealnem scenariju bi bil napajalnikbrez impedance, zaradi česar ni hrupa. Vendar pa ima v praksi napajalnik določeno impedanco, ki je porazdeljena po celotnem napajalniku, kar vodi do superpozicije šuma. Zato si je treba prizadevati za čim manjšo impedanco napajanja. Zaželeno je imeti namensko močnostno letaloinozemljitvena ravnina. Pri načrtovanju visokofrekvenčnega vezja je na splošno bolj učinkovito načrtovati napajalnik v plasteh namesto v obliki vodila, s čimer zagotovite, da zanka dosledno sledi poti z najmanjšo impedanco. Poleg tega napajalna plošča zagotavlja asignalna zankaza vse signale, ustvarjene in sprejete na tiskanem vezju, s čimer se zmanjša signalna zanka in zmanjša šum.

2. Interferenca skupnega načina polja: Ta vrsta motenj se nanaša na hrup med napajanjem in tlemi. Nastane zaradi motenj, ki jih povzroča zanka, ki jo tvorita prekinjeno vezje in skupna napetost, ki izhaja iz skupne referenčne površine. Magnituda je odvisna od relativnih električnih in magnetnih polj, njegova intenziteta pa je relativno nizka.

V tem scenariju zmanjšanje toka (Ic) vodi do skupne napetosti v serijitokovna zanka, ki vpliva na sprejemni del. Če jemagnetno poljeprevladuje, je skupna napetost, ki nastane v zaporedni ozemljitveni zanki, podana s formulo:

ΔB v formuli (1) predstavlja spremembo jakosti magnetne indukcije, izmerjeno v Wb/m²; S označuje površino v m².

Za anelektromagnetno polje, ko je električno polje vrednost znana, je inducirana napetost podana z enačbo (2), ki je na splošno uporabna, če je L=150/F ali manj, pri čemer F predstavljafrekvenca elektromagnetnega valovanjav MHz. Če je ta meja presežena, se lahko izračun največje inducirane napetosti poenostavi na naslednji način:

3. Motnje polja diferencialnega načina: To se nanaša na motnje med napajalnikom invhodni in izhodni električni vods. Pri dejanski zasnovi tiskanega vezja je avtor opazil, da je njegov prispevek k hrupu napajanja minimalen in ga je zato tukaj mogoče izpustiti.
4. Interline interference: Ta vrsta motenj se nanaša na motnje med električnimi vodi. Kadar obstajata medsebojna kapacitivnost (C) in medsebojna induktivnost (M1-2) med dvema različnima vzporednima vezjema, se bo motnja pokazala v vezju z motnjami, če sta v vezju izvora motenj napetost (VC) in tok (IC):
   1. Napetost, povezana s kapacitivno impedanco, je podana z enačbo (4), kjer RV predstavlja vzporedno vrednostupor bližnjega koncainoddaljeni uporodmoteno vezje.
   2. Zaporedna upornost prek induktivne sklopitve: Če je v viru motenj skupni šum, se medlinijska motnja na splošno pojavi tako v običajnem kot v diferencialnem načinu.
5. Spojka za električni vod: Ta pojav se pojavi, ko električni vod prenaša motnje na druge naprave, potem ko je bil izpostavljenelektromagnetne motnjeiz AC ali DC vir energijeTo predstavlja posredno obliko motenj hrupa napajanja visokofrekvenčno vezjes. Pomembno je vedeti, da hrup napajanja morda ni nujno sam generiran, ampak je lahko tudi posledica indukcije zunanjih motenj, kar vodi do superpozicije (sevanega ali prevodnega) hrupa, ki ga ustvari sam, in tako moti druga vezja ali naprave.

• Protiukrepi za odpravo motenj hrupa napajanja

Glede na zgoraj analizirane različne manifestacije in vzroke hrupa pri napajanju z električno energijo je mogoče pogoje, ki vodijo do hrupa pri napajanju z električno energijo, posebej motiti in učinkovito zatreti motnje. Priporočajo se naslednje rešitve:

• Pozornost naPlošča skozi luknjos: Skozi luknje so potrebneodprtina za jedkanjeje nanapajalni slojda se prilagodi njihovemu prehodu. Če je odprtina napajalnega sloja prevelika, lahko vpliva na signalno zanko, prisili signal v obvod in poveča površino zanke in šum. Če so določene signalne linije koncentrirane blizu odprtine in si delijo to zanko, lahko skupna impedanca povzroči preslušavanje.
• Zadostna ozemljitvena žica za kable: Vsak signal zahteva lastno namensko signalno zanko, pri čemer sta območje signala in zanke čim manjši, kar zagotavlja vzporedno poravnavo.
• Namestitev filtra za hrup napajalnika: ta filter učinkovito zavira hrup notranjega napajalnika in izboljšuje sistemproti motnjamin varnost. Služi kot dvosmerniRF filter, filtriranje hrupa, ki ga povzroča napajalni vod (preprečevanje motenj drugih naprav) in hrupa, ki ga ustvarja sam (da se izognemo motnjam drugih naprav), kot tudi mednačinske motnje skupnega načina.
• Izolacija močiTransformator: To izolira ozemljitveno zanko skupnega načinasignalni kabel napajalne zanke, ki učinkovito ločuje tok skupnega načina zanke, ustvarjen pri visokih frekvencah.
• Regulacija moči: Obnovitev čistejšega napajanja lahko znatno zmanjša hrup napajanja.
• Ožičenje: Vhodne in izhodne linije napajalnika naj bodo oddaljene od roba dielektrične plošče, da preprečite ustvarjanje sevanja in motenje drugih tokokrogov ali opreme.
• Ločeni analogni in digitalni napajalniki: visokofrekvenčne naprave so na splošno zelo občutljive na digitalni šum, zato jih je treba izolirati in povezati skupaj na vhodu za napajanje. Če mora signal prečkati analogno in digitalno domeno, lahko čez signal postavite zanko, da zmanjšate območje zanke.
• Izogibajte se prekrivanju ločenih napajalnikov med različnimi plastmi: Poskusite jih zamakniti, da preprečite, da bi se hrup napajalnika zlahka povezal prek parazitske kapacitivnosti.
• Izolirajte občutljive komponente: komponente, kot so fazno zaklenjene zanke (PLL), so zelo občutljive na hrup napajanja in jih je treba hraniti čim dlje od napajanja.
• Postavitev napajalnega kabla: Če napajalni vod postavite poleg signalnega voda, lahko zmanjšate signalno zanko in zmanjšate hrup.
• Ozemljitev obvodne poti: Da bi preprečili nakopičen hrup, ki ga povzročajo motnje napajanja na tiskanem vezju in motnje zunanjega napajanja, lahko obvodno pot ozemljite na poti motenj (brez sevanja), kar omogoča, da se hrup zaobide na tla in prepreči motnje druge naprave in oprema.

Za zaključek:Hrup napajalnika, ne glede na to, ali ga ustvarja neposredno ali posredno napajalnik, moti vezje. Pri zatiranju njegovega vpliva na tokokrog je treba upoštevati splošno načelo: čim bolj zmanjšati vpliv hrupa napajalnika na tokokrog, hkrati pa zmanjšati vpliv zunanjih dejavnikov ali tokokroga na napajalnik, da se prepreči degradacija hrupa napajalnika.