In PCB wysokiej częstotliwości pokładzie, ważniejszym rodzajem zakłóceń jest szum zasilania. Autor, systematycznie analizując charakterystyki i przyczyny szumów zasilania na płytkach PCB wysokiej częstotliwości, proponuje bardzo skuteczne i proste rozwiązania w połączeniu z aplikacjami inżynierskimi.

Analiza szumów zasilania

Szum zasilacza odnosi się do szumu generowanego przez sam zasilacz lub indukowanego przez zakłócenia. Ingerencja przejawia się w następujących aspektach:

1) Rozproszony szum spowodowany wrodzoną impedancją samego zasilacza. W obwodach o wysokiej częstotliwości szum zasilacza ma większy wpływ na sygnały o wysokiej częstotliwości. Dlatego najpierw wymagany jest cichy zasilacz. Czysta ziemia jest równie ważna jak czyste źródło energii. Charakterystykę mocy przedstawiono jak na rys. 1.

Przebieg mocy

Jak widać na rysunku 1, zasilacz w idealnych warunkach nie ma impedancji, więc nie ma szumów. Jednak rzeczywisty zasilacz ma pewną impedancję, a impedancja jest rozłożona na cały zasilacz, dlatego szumy będą się również nakładać na zasilacz. Dlatego impedancja zasilacza powinna być maksymalnie zmniejszona, a najlepiej mieć dedykowaną warstwę mocy i warstwę uziemienia. W projektowaniu obwodów wysokiej częstotliwości ogólnie lepiej jest zaprojektować zasilacz w postaci warstwy niż w postaci szyny, aby pętla mogła zawsze podążać ścieżką o najmniejszej impedancji. Ponadto płyta główna musi również zapewnić pętlę sygnałową dla wszystkich generowanych i odbieranych sygnałów na płytce drukowanej, aby można było zminimalizować pętlę sygnałową, zmniejszając w ten sposób szum.

2) Zakłócenia pola w trybie wspólnym. Odnosi się do szumu między zasilaczem a ziemią. Jest to interferencja spowodowana napięciem wspólnym, wywołana przez pętlę utworzoną przez obwód z zakłóceniami i wspólną powierzchnię odniesienia określonego zasilacza. Jego wartość zależy od względnego pola elektrycznego i pola magnetycznego. Siła zależy od siły. Jak pokazano na rysunku 2.

Zakłócenia w trybie wspólnym

Na tym kanale spadek Ic spowoduje napięcie w trybie wspólnym w szeregowej pętli prądowej, co wpłynie na część odbiorczą. Jeżeli pole magnetyczne jest dominujące, wartość napięcia wspólnego generowanego w szeregowej pętli masy wynosi:

Napięcie w trybie wspólnym

We wzorze (1) ΔB jest zmianą indukcji magnetycznej, Wb/m2; S to powierzchnia, m2.

Jeśli jest to pole elektromagnetyczne, gdy znana jest jego wartość pola elektrycznego, jego indukowane napięcie wynosi

Napięcie indukcyjne

Równanie (2) ogólnie stosuje się do L=150/F lub mniej, gdzie F jest częstotliwością fal elektromagnetycznych w MHz.

Doświadczenie autora jest następujące: Jeśli ten limit zostanie przekroczony, obliczenie maksymalnego napięcia indukowanego można uprościć do:

Maksymalne indukowane napięcie

3) Zakłócenia pola w trybie różnicowym. Odnosi się do zakłóceń między zasilaczem a wejściowymi i wyjściowymi liniami zasilania. W samym projekcie PCB autor stwierdził, że jego udział w szumie zasilania jest bardzo mały, więc nie ma potrzeby o tym tutaj dyskutować.

4) Interferencja między liniami. Odnosi się do zakłóceń między liniami energetycznymi. Gdy między dwoma różnymi obwodami równoległymi występuje wzajemna pojemność C i wzajemna indukcyjność M1-2, jeśli w obwodzie źródła zakłóceń występuje napięcie VC i prąd IC, zakłócony obwód pojawi się:

A. Napięcie sprzężone przez impedancję pojemnościową wynosi

Napięcie sprzężone przez impedancję pojemnościową

We wzorze (4) RV jest równoległą wartością rezystancji bliskiego końca i rezystancji dalekiego końca zakłócanego obwodu.

B. Rezystancja szeregowa poprzez sprzężenie indukcyjne

Rezystancja szeregowa przez sprzężenie indukcyjne

Jeżeli w źródle zakłóceń występuje szum wspólny, to zakłócenia międzyprzewodowe zazwyczaj przybierają postać trybu wspólnego i trybu różnicowego.

5) Sprzęg linii energetycznej. Odnosi się do zjawiska polegającego na tym, że po poddaniu przewodu zasilającego AC lub DC działaniu zakłóceń elektromagnetycznych, przewód zasilający przekazuje zakłócenia do innych urządzeń. Jest to pośrednia ingerencja szumu zasilania w obwód wysokiej częstotliwości. Należy zauważyć, że szum zasilacza niekoniecznie jest generowany przez siebie, ale może być również szumem wywołanym przez zakłócenia zewnętrzne, a następnie nałożyć ten szum na szum wytwarzany przez siebie (promieniowanie lub przewodzenie) w celu zakłócania innych obwodów lub urządzeń.

Środki zaradcze w celu wyeliminowania zakłóceń zasilania

Mając na uwadze różne przejawy i przyczyny analizowanych powyżej zakłóceń zasilania, warunki, w których one występują, mogą zostać w sposób celowy zniszczone, a zakłócenia zasilania mogą być skutecznie wytłumione. Rozwiązania są następujące: 1) Zwróć uwagę na otwory przelotowe w tablicy. Otwór przelotowy wymaga wytrawienia otworu w warstwie zasilającej, aby pozostawić miejsce na przejście przez otwór przelotowy. Jeśli otwarcie warstwy mocy jest zbyt duże, nieuchronnie wpłynie to na pętlę sygnału, sygnał zostanie zmuszony do obejścia, obszar pętli zwiększy się, a szum wzrośnie. Jednocześnie, jeśli niektóre linie sygnałowe są skoncentrowane w pobliżu otworu i współdzielą tę pętlę, wspólna impedancja spowoduje przesłuch. Zobacz rysunek 3.

Omiń wspólną ścieżkę obwodu sygnału

2) Dla przewodów połączeniowych wymagana jest wystarczająca ilość przewodów uziemiających. Każdy sygnał musi mieć własną dedykowaną pętlę sygnałową, a obszar pętli sygnału i pętli jest jak najmniejszy, to znaczy sygnał i pętla muszą być równoległe.

3) Umieść filtr przeciwzakłóceniowy zasilacza. Może skutecznie tłumić hałas wewnątrz zasilacza i poprawiać ochronę przed zakłóceniami i bezpieczeństwo systemu. I jest to dwukierunkowy filtr częstotliwości radiowej, który może nie tylko odfiltrować zakłócenia wprowadzane z linii zasilającej (aby zapobiec zakłóceniom z innych urządzeń), ale także odfiltrować szumy generowane przez siebie (aby uniknąć zakłóceń z innymi urządzeniami ) i zakłócać tryb wspólny trybu szeregowego. Oba mają działanie hamujące.

4) Transformator izolujący zasilanie. Oddziel pętlę zasilania lub pętlę uziemienia trybu wspólnego kabla sygnałowego, może skutecznie izolować prąd pętli trybu wspólnego generowany w wysokiej częstotliwości.

5) Regulator zasilania. Odzyskanie czystszego zasilania może znacznie zmniejszyć poziom hałasu zasilacza.

6) Okablowanie. Linie wejściowe i wyjściowe zasilacza nie powinny być układane na krawędzi płytki dielektrycznej, w przeciwnym razie łatwo jest generować promieniowanie i zakłócać inne obwody lub sprzęt.

7) Zasilanie analogowe i cyfrowe należy rozdzielić. Urządzenia o wysokiej częstotliwości są na ogół bardzo wrażliwe na szum cyfrowy, dlatego należy je rozdzielić i połączyć ze sobą na wejściu zasilacza. Jeśli sygnał musi obejmować zarówno część analogową, jak i cyfrową, można umieścić pętlę w zakresie sygnału, aby zmniejszyć obszar pętli. Jak pokazano na rysunku 4.

Umieść pętlę na skrzyżowaniu sygnału, aby zmniejszyć obszar pętli

8) Unikaj nakładania się oddzielnych zasilaczy pomiędzy różnymi warstwami. Rozłóż je tak bardzo, jak to możliwe, w przeciwnym razie szum zasilacza jest łatwo sprzęgany przez pasożytniczą pojemność.

9) Odizoluj wrażliwe elementy. Niektóre komponenty, takie jak pętle synchronizacji fazy (PLL), są bardzo wrażliwe na zakłócenia zasilania. Trzymaj je jak najdalej od źródła zasilania.

10) Umieść przewód zasilający. Aby zredukować pętlę sygnału, szum można zredukować, umieszczając linię zasilania na krawędzi linii sygnału, jak pokazano na rysunku 5.

Umieść przewód zasilający obok linii sygnału

11) Aby zapobiec zakłócaniu szumu zasilacza w płytce drukowanej i kumulacji szumu spowodowanego zewnętrznymi zakłóceniami w zasilaniu, kondensator obejściowy można podłączyć do masy w ścieżce zakłóceń (z wyjątkiem promieniowania), tak aby hałas można ominąć na ziemi, aby uniknąć zakłóceń z innym sprzętem i urządzeniami.

Szum zasilacza jest generowany bezpośrednio lub pośrednio z zasilacza i zakłóca obwód. Podczas tłumienia jego wpływu na obwód należy przestrzegać ogólnej zasady. Z jednej strony należy w jak największym stopniu zapobiegać hałasowi zasilania. Z drugiej strony wpływ obwodu powinien również minimalizować wpływ świata zewnętrznego lub obwodu na zasilacz, aby nie pogarszać szumów zasilacza.