Аналіз та пом’якшення шуму джерела живлення в процесі проектування високочастотних друкованих плат

в високочастотна друкована платаs, шум джерела живлення виділяється як значна форма перешкод. У цій статті проведено комплексний аналіз характеристик і походження шуму джерела живлення у високочастотних друкованих платах і запропоновано практичні та ефективні рішення на основі інженерних застосувань.

А.Аналіз шуму джерела живлення

Шум джерела живлення стосується шуму, створюваного або порушуваного самим джерелом живлення. Це втручання проявляється в таких аспектах:

1. Розповсюджений шум у результатівласний імпедансджерела живлення. У високочастотних ланцюгах шум джерела живлення значно впливає на високочастотні сигнали. Тому початковою вимогою є низький рівень шумуживлення. Не менш важливими є чиста земля та джерело живлення.

В ідеальному випадку блок живлення будебез опору, що призводить до відсутності шуму. Однак на практиці джерело живлення має певний імпеданс, який розподіляється по всьому джерелу живлення, що призводить до накладення шуму. Отже, слід докласти зусиль, щоб мінімізувати опір джерела живлення. Бажано мати спеціальний силовий літакізаземлена площина. При розробці високочастотних схем, як правило, ефективніше проектувати джерело живлення в шарах, а не у форматі шини, гарантуючи, що петля послідовно слідує шляху з найменшим імпедансом. Крім того, плата живлення забезпечує aсигнальний шлейфдля всіх сигналів, що генеруються та приймаються на друкованій платі, таким чином мінімізуючи петлю сигналу та зменшуючи шум.

2. Синфазні перешкоди поля: Цей тип перешкод відноситься до шуму між джерелом живлення та землею. Це виникає внаслідок інтерференції, спричиненої петлею, утвореною розірваним ланцюгом, і синфазною напругою, що є результатом загальної опорної поверхні. Величина залежить від відносних електричних і магнітних полів, а його інтенсивність відносно низька.

У цьому сценарії зменшення струму (Ic) призводить до синфазної напруги в послідовностіструмова петля, впливаючи на приймальну секцію. Якщомагнітне полепереважає, синфазна напруга, що генерується в послідовному контурі заземлення, визначається за формулою:

ΔB у формулі (1) являє собою зміну інтенсивності магнітної індукції, виміряну у Втб/м²; S позначає площу в м².

Для анелектромагнітне поле, коли електричне поле відомо, індукована напруга визначається рівнянням (2), яке, як правило, застосовується, коли L=150/F або менше, де F представляєчастота електромагнітної хвилів МГц. Якщо ця межа перевищена, розрахунок максимальної індукованої напруги можна спростити таким чином:

3. Перешкоди поля диференціального режиму: це стосується перешкод між джерелом живлення тавхідна і вихідна лінія живленняс. У фактичному проекті друкованої плати автор зауважив, що її внесок у шум джерела живлення є мінімальним, і тому його тут можна опустити.
4. Міжрядкові перешкоди: Цей тип перешкод відноситься до перешкод між лініями електропередач. Коли існує взаємна ємність (C) і взаємна індуктивність (M1-2) між двома різними паралельними ланцюгами, перешкоди виявлятимуться в ланцюзі з перешкодами, якщо в ланцюзі джерела перешкод є напруга (VC) і струм (IC):
   1. Напруга, пов’язана через ємнісний опір, визначається рівнянням (4), де RV являє собою паралельне значенняопір ближнього кінцяіопір дальнього кінцязланцюга з перешкодами.
   2. Послідовний опір через індуктивний зв’язок: якщо в джерелі перешкод є синфазний шум, міжлінійні перешкоди зазвичай з’являються як у синфазному, так і в диференціальному режимі.
5. З'єднання лінії електропередач: Це явище виникає, коли лінія електропередач передає перешкоди іншим пристроям після того, як піддаласяелектромагнітні перешкодивід змінного або постійного струму джерело живленняЦе є непрямою формою перешкод джерела живлення високочастотний контурс. Важливо зауважити, що шум джерела живлення може не обов’язково створюватися самостійно, але також може бути наслідком зовнішньої індукції перешкод, що призводить до накладення (випромінюваного чи проведеного) шуму, створюваного ним самим, таким чином заважаючи іншим схемам або пристроям.

• Контрзаходи для усунення шумових перешкод джерела живлення

Враховуючи різні прояви та причини шумових перешкод джерела живлення, проаналізованих вище, умови, що призводять до шумів джерела живлення, можуть бути спеціально порушені, ефективно придушуючи перешкоди. Рекомендуються такі рішення:

• Увага доДошка через отвірs: Наскрізні отвори вимагаютьотвір травленняs нашар живленнящоб забезпечити їх проїзд. Якщо отвір силового рівня занадто великий, це може вплинути на петлю сигналу, змушуючи сигнал обходити, збільшуючи площу петлі та шум. Якщо певні сигнальні лінії зосереджені поблизу отвору та мають спільну петлю, загальний імпеданс може призвести до перехресних перешкод.
• Достатня кількість дроту заземлення для кабелів: для кожного сигналу необхідна власна спеціальна сигнальна петля, причому площа сигналу та петлі має бути якомога меншою, забезпечуючи паралельне вирівнювання.
• Розташування фільтра шуму джерела живлення: цей фільтр ефективно пригнічує внутрішні шуми джерела живлення, покращуючи системузахист від перешкоді безпеки. Він служить двостороннімВЧ фільтр, фільтруючи шумові перешкоди, що надходять від лінії живлення (запобігаючи перешкодам від інших пристроїв), і шуми, створювані самим собою (щоб уникнути перешкод іншим пристроям), а також перехресні перешкоди загального режиму.
• Ізоляція живленнятрансформатор: Це ізолює синфазний контур заземленнясигнальний кабель контуру живлення, ефективно відокремлюючи синфазний струм петлі, що генерується на високих частотах.
• Регулювання живлення: відновлення чистішого джерела живлення може значно зменшити шум джерела живлення.
• Електропроводка: вхідні та вихідні лінії джерела живлення слід тримати подалі від краю діелектричної плати, щоб уникнути генерації випромінювання та перешкод іншим схемам або обладнанню.
• Окремі аналогові та цифрові джерела живлення: високочастотні пристрої, як правило, дуже чутливі до цифрового шуму, тому їх слід ізольувати та з’єднати разом на вході джерела живлення. Якщо сигнал має перетинати як аналоговий, так і цифровий домени, можна розмістити петлю поперек сигналу, щоб зменшити площу петлі.
• Уникайте перекривання окремих джерел живлення між різними рівнями: намагайтеся розмістити їх у шаховому порядку, щоб запобігти легкому поєднанню шуму джерела живлення через паразитну ємність.
• Ізолюйте чутливі компоненти: такі компоненти, як фазова автопідстроювання частоти (ФАПЧ), дуже чутливі до шуму джерела живлення, тому їх слід тримати якомога далі від джерела живлення.
• Розташування шнура живлення: Розташування лінії живлення поряд із сигнальною лінією може зменшити петлю сигналу та зменшити рівень шуму.
• Заземлення обхідного шляху: щоб запобігти накопиченню шуму, спричиненого перешкодами джерела живлення на друкованій платі та зовнішнього джерела живлення, обхідний шлях можна заземлити на шляху перешкод (за винятком випромінювання), дозволяючи обійти шум на землю та уникнути перешкод з інші пристрої та обладнання.

На закінчення:Шум джерела живлення, створюваний прямо чи опосередковано джерелом живлення, заважає роботі схеми. Пригнічуючи його вплив на схему, слід дотримуватися загального принципу: мінімізувати вплив шуму джерела живлення на схему, а також зменшити вплив зовнішніх факторів або схеми на джерело живлення, щоб запобігти погіршенню шуму джерела живлення.