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高频PCB设计过程中的电源噪声的分析及对策

2017-07-11
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摘要:系统地分析了现今高频PCB板中的电源噪声干扰的各种表现形式及其成因,通过公式推导,结合工程经验,提出了若干相应的对策,最后归纳了对电源噪声的抑制应遵循的总的原则。


在高频PCB板中,较重要的一类干扰便是电源噪声。笔者通过对高频PCB板上出现的电源噪声特性和产生原因进行系统分析,并结合工程应用,提出了一些非常有效而又简便的解决办法。


  电源噪声的分析


  电源噪声是指由电源自身产生或受扰感应的噪声。其干扰表现在以下几个方面:


  1)电源本身所固有的阻抗所导致的分布噪声。高频电路中,电源噪声对高频信号影响较大。因此,首先需要有低噪声的电源。干净的地和干净的电源是同样重要的。电源特性如图1所示。

从图1可以看出,理想情况下的电源是没有阻抗的,因此其不存在噪声。但是,实际情况下的电源是具有一定阻抗的,并且阻抗是分布在整个电源上的,因此,噪声也会叠加在电源上。所以应该尽可能减小电源的阻抗,最好有专门的电源层和接地层。在高频电路设计中,电源以层的形式设计一般比以总线的形式设计要好,这样回路总可以沿着阻抗最小的路径走。此外,电源板还得为PCB上所有产生和接受的信号提供一个信号回路,这样可以最小化信号回路,从而减小噪声。


  2)共模场干扰。指的是电源与接地之间的噪声,它是因为某个电源由被干扰电路形成的环路和公共参考面上引起的共模电压而造成的干扰,其值要视电场和磁场的相对的强弱来定。如图2。

在该通道上,Ic的下降会在串联的电流回路中引起共模电压,影响接收部分。如果磁场占主要地位,在串联地回路中产生的共模电压的值是:

式(1)中的ΔB为磁感应强度的变化量,Wb/m2;S为面积,m2。


  如果是电磁场,已知它的电场值时,其感应电压为

式(2)一般适用于L=150/F以下,F为电磁波频率MHz。


  笔者的经验是:如果超过这个限制的话,最大感应电压的计算可简化为:


3)差模场干扰。指电源与输入输出电源线间的干扰。在实际PCB设计中,笔者发现其在电源噪声中所占的比重很小,因此这里可以不作讨论。


4)线间干扰。指电源线间的干扰。在两个不同的并联电路之间存在着互电容C和互感M1-2时,如果干扰源电路中有电压VC和电流IC,则被干扰电路中将出现:

a.       通过容性阻抗耦合的电压为


 式(4)中RV是被干扰电路近端电阻和远端电阻的并联值。


  b. 通过感性耦合的串联电阻


如果干扰源中有共模噪声,则线间干扰一般表现为共模和差模两种形式。


  5)电源线耦合。是指交流或直流电源线受到电磁干扰后,电源线又将这些干扰传输到其他设备的现象。这是电源噪声间接地对高频电路的干扰。需要说明的是:电源的噪声并不一定是其本身产生的,也可能是外界干扰感应的噪声,再将此噪声与本身产生的噪声叠加起来(辐射或传导)去干扰其他的电路或者器件。


  消除电源噪声干扰的对策

  针对以上所分析的电源噪声干扰的不同表现形式及其成因,可以针对性地破坏其发生的条件,就能有效抑制电源噪声的干扰。解决的方法有:        


    1)注意板上通孔。通孔使得电源层上需要刻蚀开口以留出空间给通孔通过。而如果电源层开口过大,势必影响信号回路,信号被迫绕行,回路面积增大,噪声加大,同时如果一些信号线都集中在开口附近,共用这一段回路,公共阻抗将引发串扰。参看图3。

       2)连接线需要足够多的地线。每一信号需要有自己的专有的信号回路,而且信号和回路的环路面积尽可能小,也就是说信号与回路要并行。


  3)放置电源噪声滤波器。它能有效抑制电源内部的噪声,提高系统的抗干扰性和安全性。并且它是双向射频滤波器,既能滤掉从电源线上引入的噪声干扰(防止其他设备的干扰),又能滤掉自身所产生的噪声(避免干扰其他设备),对串模共模干扰均起抑制作用。


  4)电源隔离变压器。将电源环路或信号电缆的共模地环路分开,它能对高频中所产生的共模环路电流进行有效隔离。


  5)电源稳压器。重获一个更干净的电源,能很大程度地降低电源噪声大小。


  6)布线。电源的输入输出线应避免布在介质板的边缘,否则容易产生辐射,干扰其他电路或设备。


  7)模拟与数字电源要分开。高频器件一般对数字噪音非常敏感,所以两者要分开,在电源的入口处接在一起。若信号要跨越模拟和数字两部分的话,可以在信号跨越处放置一条回路以减小环路面积。如图4。

       

       8)避免分开的电源在不同层间重叠。尽量将其错开,否则电源噪声很容易通过寄生电容耦合过去。


  9)隔离敏感元件。有些元件如锁相环(PLL)对电源噪声非常敏感,应让它们离电源尽可能的远。


  10)放置电源线。为了减小信号回路,可通过放置电源线在信号线边上来实现减小噪声,如图5。

  11)为了防止电源噪声对电路板的干扰以及外界对电源的干扰而导致的累加噪声,可以在干扰路径上(辐射除外)并连一个旁路电容接地,这样能将噪声旁路到地以避免干扰其他设备和器件。


  结论

  电源噪声是直接或者间接的从电源中产生出来的,并且对电路进行干扰,在抑制它对电路的影响的时候,应该遵循一个总的原则,那就是:一方面,要尽可能阻止电源噪声对电路的影响,另一方面,也要尽可能减小外界或者电路对电源的影响,以免恶化电源的噪声。



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