Analys och begränsning av strömförsörjningsbrus i högfrekvent PCB-designprocess

I högfrekventa PCBs, strömförsörjningsbrus framstår som en betydande form av störning. Denna artikel genomför en omfattande analys av egenskaperna och ursprunget för strömförsörjningsbrus i högfrekventa kretskort och erbjuder praktiska och effektiva lösningar baserade på tekniska tillämpningar.

A.Analys av strömförsörjningsljud

Strömförsörjningsbrus avser det brus som genereras eller avbryts av själva strömförsörjningen. Denna störning är uppenbar i följande aspekter:

1. Distribuerat buller som härrör fråninneboende impedansav strömförsörjningen. I högfrekventa kretsar påverkar strömförsörjningsbrus högfrekventa signaler avsevärt. Därför är det initiala kravet ett lågt ljudströmförsörjning. Lika avgörande är ren mark och strömförsörjning.

I ett idealiskt scenario skulle strömförsörjningen varaimpedansfri, vilket resulterar i inget brus. Men i praktiken har strömförsörjningen en viss impedans, som är fördelad över hela strömförsörjningen, vilket leder till överlagring av brus. Därför bör ansträngningar göras för att minimera strömförsörjningsimpedansen. Det är att föredra att ha en dedikerad kraftplanochjordplan. I högfrekvenskretsdesign är det generellt sett mer effektivt att designa strömförsörjningen i lager snarare än i ett bussformat, vilket säkerställer att slingan konsekvent följer banan med minsta impedans. Dessutom ger strömkortet ensignalslingaför alla signaler som genereras och tas emot på PCB, vilket minimerar signalslingan och minskar brus.

2. Common Mode Fältstörning: Denna typ av störning hänför sig till bruset mellan strömförsörjningen och marken. Den uppstår från störningar som orsakas av en slinga som bildas av den avbrutna kretsen och den gemensamma modspänningen som härrör från den gemensamma referensytan. Storleken beror på de relativa elektriska och magnetiska fälten och dess intensitet är relativt låg.

I detta scenario leder minskningen av strömmen (Ic) till en common-mode-spänning i serienströmslinga, som påverkar den mottagande delen. Ommagnetfältdominerar, ges den common mode-spänning som genereras i seriejordslingan av formeln:

ΔB i formel (1) representerar förändringen i magnetisk induktionsintensitet, mätt i Wb/m²; S betecknar området i m².

För enelektromagnetiskt fält, när elektriskt fält värdet är känt, ges den inducerade spänningen av ekvation (2), som är allmänt tillämplig när L=150/F eller mindre, där F representerarelektromagnetisk vågfrekvensi MHz. Om denna gräns överskrids kan beräkningen av den maximala inducerade spänningen förenklas enligt följande:

3. Fältstörning i differentialläge: Detta hänvisar till störningen mellan strömförsörjningen och denin- och utmatningslednings. I den faktiska PCB-designen observerade författaren att dess bidrag till strömförsörjningsbrus är minimalt och därför kan utelämnas här.
4. Interline Interferens: Denna typ av interferens avser interferens mellan kraftledningar. När det finns ömsesidig kapacitans (C) och ömsesidig induktans (M1-2) mellan två olika parallella kretsar, kommer störningen att manifesteras i den störda kretsen om det finns spänning (VC) och ström (IC) i störkällans krets:
   1. Spänningen kopplad genom den kapacitiva impedansen ges av ekvation (4), där RV representerar parallellvärdet förnästan slutet motståndoch denfjärrmotståndavstörd krets.
   2. Serieresistans genom induktiv koppling: Om det finns common mode-brus i interferenskällan uppträder interline-interferensen i allmänhet i både common mode och differential mode.
5. Kraftledningskoppling: Detta fenomen uppstår när kraftledningen överför störningar till andra enheter efter att ha utsatts förelektromagnetiska störningarfrån AC eller DC strömkällaDetta representerar en indirekt form av störningar på strömförsörjningen högfrekvent kretss. Det är viktigt att notera att brus från strömförsörjningen inte nödvändigtvis är självgenererat, utan kan också vara ett resultat av extern interferensinduktion, vilket leder till överlagring (utstrålat eller ledt) av brus som genereras av sig själv, och därigenom stör andra kretsar eller enheter.

• Motåtgärder för att eliminera störningar från strömförsörjningen

Med tanke på de olika manifestationerna och orsakerna till störningar från strömförsörjningen som analyserats ovan, kan de förhållanden som leder till brus från strömförsörjningen avbrytas specifikt, vilket effektivt undertrycker störningen. Följande lösningar rekommenderas:

• Uppmärksamhet påBräde genom håls: Genomgående hål nödvändiggöretsningsöppnings påströmförsörjningsskiktför att tillgodose deras passage. Om kraftskiktets öppning är för stor kan det påverka signalslingan, vilket tvingar signalen att förbigå och ökar slingytan och bruset. Om vissa signallinjer är koncentrerade nära öppningen och delar denna loop, kan gemensam impedans leda till överhörning.
• Tillräcklig jordledning för kablar: Varje signal kräver sin egen dedikerade signalslinga, med signal- och looparean så liten som möjligt, vilket säkerställer parallell inriktning.
• Placering av strömförsörjningsbrusfilter: Detta filter dämpar effektivt internt brus från strömförsörjningen, vilket förbättrar systemetanti-interferensoch säkerhet. Det fungerar som en tvåvägsRF-filter, filtrera bort brusstörningar som introduceras från kraftledningen (förhindrar störningar från andra enheter) och brus som genereras av sig själv (för att undvika störningar med andra enheter), såväl som interferens i korsmode common mode.
• StrömisoleringTransformator: Detta isolerar common-mode jordslingan avströmförsörjningsslingor eller signalkabel, effektivt separerar common-mode loopström genererad vid höga frekvenser.
• Strömreglering: Att återställa en renare strömförsörjning kan avsevärt minska strömförsörjningsljudet.
• Kabeldragning: Strömförsörjningens in- och utgångsledningar bör hållas borta från kanten av det dielektriska kortet för att undvika att generera strålning och störa andra kretsar eller utrustning.
• Separata analoga och digitala nätaggregat: Högfrekventa enheter är i allmänhet mycket känsliga för digitalt brus, så de två bör isoleras och kopplas samman vid strömförsörjningens ingång. Om en signal behöver passera både analoga och digitala domäner kan en slinga placeras över signalen för att minska slingytan.
• Undvik att överlappa separata strömförsörjningar mellan olika lager: Försök att förskjuta dem för att förhindra att brus från strömförsörjningen lätt kopplas genom parasitisk kapacitans.
• Isolera känsliga komponenter: Komponenter som faslåsta slingor (PLL) är mycket känsliga för strömförsörjningsljud och bör hållas så långt borta som möjligt från strömförsörjningen.
• Placering av nätsladd: Genom att placera en strömledning vid sidan av signalledningen kan signalslingan minska och brusreducering uppnås.
• Jordning för förbikopplingsväg: För att förhindra ackumulerat brus orsakat av strömförsörjningsstörningar på kretskortet och externa strömförsörjningsstörningar, kan förbikopplingsbanan jordas på störningsbanan (exklusive strålning), vilket gör att bruset kan kringgås till marken och undvika störningar med andra enheter och utrustning.

Avslutningsvis:Strömförsörjningsbrus, oavsett om det genereras direkt eller indirekt från strömförsörjningen, stör kretsen. När du undertrycker dess inflytande på kretsen bör en allmän princip följas: minimera påverkan av strömförsörjningsbrus på kretsen samtidigt som du minskar påverkan av externa faktorer eller kretsen på strömförsörjningen för att förhindra försämring av strömförsörjningsbrus.