In visokofrekventni PCB ploča, važnija vrsta smetnji je šum napajanja. Sustavnom analizom karakteristika i uzroka buke struje na visokofrekventnim PCB pločama, autor iznosi vrlo učinkovita i jednostavna rješenja u kombinaciji s inženjerskim primjenama.

Analiza buke napajanja

Buka napajanja odnosi se na buku koju stvara sam izvor napajanja ili induciran smetnjama. Smetnje se očituje u sljedećim aspektima:

1) Distribuirani šum uzrokovan inherentnom impedancijom samog izvora napajanja. U visokofrekventnim krugovima šum napajanja ima veći utjecaj na visokofrekventne signale. Stoga je najprije potrebno napajanje niske buke. Čisto tlo je jednako važno kao i čist izvor energije. Karakteristika snage je prikazana kao na slici 1.

Valni oblik snage

Kao što je vidljivo sa slike 1, napajanje u idealnim uvjetima nema impedanciju, tako da nema šuma. Međutim, stvarno napajanje ima određenu impedanciju, a impedancija je raspoređena na cijelo napajanje, stoga će se šum također nadovezati na napajanje. Stoga impedanciju napajanja treba smanjiti što je više moguće, a najbolje je imati namjenski sloj napajanja i sloj uzemljenja. U dizajnu visokofrekventnih sklopova općenito je bolje projektirati napajanje u obliku sloja nego u obliku sabirnice, tako da petlja uvijek može pratiti put s najmanjom impedancijom. Osim toga, strujna ploča također mora osigurati signalnu petlju za sve generirane i primljene signale na PCB-u, tako da se signalna petlja može svesti na minimum, čime se smanjuje šum.

2) Smetnje u polju zajedničkog moda. Odnosi se na šum između izvora napajanja i zemlje. To je smetnja uzrokovana naponom zajedničkog moda uzrokovana petljom koju formira interferirani krug i zajednička referentna površina određenog izvora napajanja. Njegova vrijednost ovisi o relativnom električnom i magnetskom polju. Snaga ovisi o snazi. Kao što je prikazano na slici 2.

Common mode interferencije

Na ovom kanalu, pad Ic će uzrokovati zajednički napon u serijskoj strujnoj petlji, što će utjecati na prijemni dio. Ako je magnetsko polje dominantno, vrijednost zajedničkog napona generiranog u serijskoj petlji uzemljenja je:

Uobičajeni napon

U formuli (1), ΔB je promjena gustoće magnetskog toka, Wb/m2; S je površina, m2.

Ako se radi o elektromagnetskom polju, kada je poznata vrijednost njegovog električnog polja, njegov inducirani napon je

Induktivni napon

Jednadžba (2) općenito se odnosi na L=150/F ili manje, gdje je F frekvencija elektromagnetskih valova u MHz.

Iskustvo autora je: Ako je ova granica prekoračena, izračun maksimalnog induciranog napona može se pojednostaviti na:

Maksimalni inducirani napon

3) Interferencija polja diferencijalnog moda. Odnosi se na smetnje između napajanja i ulaznih i izlaznih vodova. U stvarnom dizajnu PCB-a, autor je utvrdio da je njegov udio u šumu napajanja vrlo mali, pa nije potrebno ovdje raspravljati o tome.

4) Međulinijske smetnje. Odnosi se na smetnje između vodova. Kada postoje međusobni kapacitet C i međusobna induktivnost M1-2 između dva različita paralelna kruga, ako postoje napon VC i struja IC u krugu izvora smetnji, pojavit će se ometeni krug:

A. Napon spojen kroz kapacitivnu impedanciju je

Napon spojen kroz kapacitivnu impedanciju

U formuli (4), RV je paralelna vrijednost otpora na bližem kraju i otporu na udaljenom kraju kruga s ometanjem.

B. Serijski otpor kroz induktivnu spregu

Serijski otpor putem induktivne spojke

Ako postoji šum zajedničkog moda u izvoru smetnji, smetnje od linije do linije općenito poprima oblik zajedničkog i diferencijalnog načina.

5) Spojnica dalekovoda. Odnosi se na fenomen da nakon što je AC ili DC kabel za napajanje podvrgnut elektromagnetskim smetnjama, kabel za napajanje prenosi smetnje na druge uređaje. Ovo je neizravna interferencija buke napajanja visokofrekventnom krugu. Treba napomenuti da šum izvora napajanja nije nužno generiran sam od sebe, već može biti i šum uzrokovan vanjskim smetnjama, a zatim preklopiti tu buku sa bukom koju sam generira (zračenje ili vođenje) kako bi ometao druge strujne krugove odnosno uređaja.

Protumjere za uklanjanje smetnji buke napajanja

S obzirom na gore analizirane različite manifestacije i uzroke smetnji buke napajanja, uvjeti pod kojima se ona javlja mogu se ciljano uništiti, a smetnje buke napajanja mogu se učinkovito potisnuti. Rješenja su sljedeća: 1) Obratite pažnju na prolazne rupe na ploči. Prolazni otvor zahtijeva otvor na sloju snage koji treba urezati kako bi se ostavio prostor za prolaz kroz otvor. Ako je otvor sloja snage prevelik, to će neizbježno utjecati na signalnu petlju, signal će biti prisiljen zaobići, područje petlje će se povećati, a šum će se povećati. U isto vrijeme, ako su neke signalne linije koncentrirane blizu otvora i dijele ovu petlju, zajednička impedancija će uzrokovati preslušavanje. Vidi sliku 3.

Zaobići zajednički put signalnog kruga

2) Za priključne žice potrebno je dovoljno žica za uzemljenje. Svaki signal mora imati svoju namjensku signalnu petlju, a područje petlje signala i petlje je što je moguće manje, odnosno signal i petlja moraju biti paralelni.

3) Postavite filtar buke napajanja. Može učinkovito potisnuti buku unutar napajanja i poboljšati zaštitu od smetnji i sigurnost sustava. I to je dvosmjerni radiofrekventni filtar, koji ne samo da može filtrirati smetnje buke unesene iz dalekovoda (kako bi spriječio smetnje od druge opreme), već i filtrirati buku koju sam stvara (kako bi se izbjegle smetnje s drugom opremom ) i ometaju zajednički način rada serijskog načina rada. Oba imaju inhibitorni učinak.

4) Energetski izolacijski transformator. Odvojite petlju za napajanje ili petlju uzemljenja zajedničkog načina signalnog kabela, može učinkovito izolirati struju petlje zajedničkog moda koja se generira na visokoj frekvenciji.

5) Regulator napajanja. Ponovno dobivanje čišćeg napajanja može uvelike smanjiti razinu buke napajanja.

6) Ožičenje. Ulazni i izlazni vodovi napajanja ne bi trebali biti položeni na rub dielektrične ploče, inače je lako generirati zračenje i ometati druge krugove ili opremu.

7) Analogno i digitalno napajanje treba razdvojiti. Visokofrekventni uređaji općenito su vrlo osjetljivi na digitalni šum, pa ih treba razdvojiti i spojiti zajedno na ulazu u napajanje. Ako signal treba obuhvatiti i analogne i digitalne dijelove, petlja se može postaviti na raspon signala kako bi se smanjilo područje petlje. Kao što je prikazano na slici 4.

Postavite petlju na prijelaz signala kako biste smanjili područje petlje

8) Izbjegavajte preklapanje odvojenih izvora napajanja između različitih slojeva. Zateturajte ih što je više moguće, inače se šum napajanja lako spaja kroz parazitski kapacitet.

9) Izolirajte osjetljive komponente. Neke komponente, poput fazno zaključanih petlji (PLL), vrlo su osjetljive na šum napajanja. Držite ih što dalje od napajanja.

10) Postavite kabel za napajanje. Kako bi se smanjila signalna petlja, šum se može smanjiti postavljanjem dalekovoda na rub signalne linije, kao što je prikazano na slici 5.

Postavite kabel za napajanje pored signalne linije

11) Kako bi se spriječilo ometanje buke napajanja na ploči i akumulirane buke uzrokovane vanjskim smetnjama u napajanju, zaobilazni kondenzator se može spojiti na masu na putu smetnji (osim radijacije), tako da buka se može zaobići na tlo kako bi se izbjeglo ometanje druge opreme i uređaja.

Šum napajanja izravno ili neizravno nastaje iz napajanja i ometa strujni krug. Pri suzbijanju njegovog utjecaja na strujni krug treba se pridržavati općeg načela. S jedne strane, potrebno je što je više moguće spriječiti šum napajanja. Utjecaj strujnog kruga, s druge strane, također treba minimizirati utjecaj vanjskog svijeta ili sklopa na napajanje, kako se ne bi pogoršao šum napajanja.