消除電源噪聲干擾的對策
PCB設(shè)計(jì)中的電源噪聲干擾要如何應(yīng)對?請支招!
發(fā)布時間:2015-02-02 責(zé)任編輯:sherryyu
【導(dǎo)讀】在高頻PCB板中,較重要的一類干擾便是電源噪聲。本文通過對高頻PCB板上出現(xiàn)的電源噪聲特性和產(chǎn)生原因進(jìn)行系統(tǒng)分析,并結(jié)合工程應(yīng)用,提出了一些非常有效而又簡便的解決辦法。
電源本身所固有的阻抗所導(dǎo)致的分布噪聲。高頻電路中,電源噪聲對高頻信號影響較大。因此,首先需要有低噪聲的電源。干凈的地和干凈的電源是同樣重要的;共模場干擾。指的是電源與接地之間的噪聲,它是因?yàn)槟硞€電源由被干擾電路形成的環(huán)路和公共參考面上引起的共模電壓而造成的干擾,其值要視電場和磁場的相對的強(qiáng)弱來定。
電源噪聲的分析
電源噪聲是指由電源自身產(chǎn)生或受擾感應(yīng)的噪聲。其干擾表現(xiàn)在以下幾個方面:
1)電源本身所固有的阻抗所導(dǎo)致的分布噪聲。高頻電路中,電源噪聲對高頻信號影響較大。因此,首先需要有低噪聲的電源。干凈的地和干凈的電源是同樣重要的。
理想情況下的電源是沒有阻抗的,因此其不存在噪聲。但是,實(shí)際情況下的電源是具有一定阻抗的,并且阻抗是分布在整個電源上的,因此,噪聲也會疊加在 電源上。所以應(yīng)該盡可能減小電源的阻抗,最好有專門的電源層和接地層。
在高頻電路設(shè)計(jì)中,電源以層的形式設(shè)計(jì)一般比以總線的形式設(shè)計(jì)要好,這樣回路總可以 沿著阻抗最小的路徑走。此外,電源板還得為PCB上所有產(chǎn)生和接受的信號提供一個信號回路,這樣可以最小化信號回路,從而減小噪聲。
2)電源線耦合。是指交流或直流電源線受到電磁干擾后,電源線又將這些干擾傳輸?shù)狡渌O(shè)備的現(xiàn)象。這是電源噪聲間接地對高頻電路的干擾。需要說明的 是:電源的噪聲并不一定是其本身產(chǎn)生的,也可能是外界干擾感應(yīng)的噪聲,再將此噪聲與本身產(chǎn)生的噪聲疊加起來(輻射或傳導(dǎo))去干擾其他的電路或者器件。
3)共模場干擾。指的是電源與接地之間的噪聲,它是因?yàn)槟硞€電源由被干擾電路形成的環(huán)路和公共參考面上引起的共模電壓而造成的干擾,其值要視電場和磁場的相對的強(qiáng)弱來定。
在該通道上,Ic的下降會在串聯(lián)的電流回路中引起共模電壓,影響接收部分。如果磁場占主要地位,在串聯(lián)地回路中產(chǎn)生的共模電壓的值是:
Vcm = — (△B/△t) × S (1)
式(1)中的ΔB為磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化量,Wb/m2;S為面積,m2。
如果是電磁場,已知它的電場值時,其感應(yīng)電壓為:
Vcm = (L×h×F×E/48) (2)
式(2)一般適用于L=150/F以下,F(xiàn)為電磁波頻率MHz。
如果超過這個限制的話,最大感應(yīng)電壓的計(jì)算可簡化為:
Vcm = 2×h×E (3)
3)差模場干擾。指電源與輸入輸出電源線間的干擾。在實(shí)際PCB設(shè)計(jì)中,筆者發(fā)現(xiàn)其在電源噪聲中所占的比重很小,因此這里可以不作討論。
4)線間干擾。指電源線間的干擾。在兩個不同的并聯(lián)電路之間存在著互電容C和互感M1-2時,如果干擾源電路中有電壓VC和電流IC,則被干擾電路中將出現(xiàn):
a. 通過容性阻抗耦合的電壓為
Vcm = Rv*C1-2*△Vc/△t (4)
式(4)中Rv是被干擾電路近端電阻和遠(yuǎn)端電阻的并聯(lián)值。
b. 通過感性耦合的串聯(lián)電阻
V = M1-2*△Ic/△t (5)
如果干擾源中有共模噪聲,則線間干擾一般表現(xiàn)為共模和差模兩種形式。
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消除電源噪聲干擾的對策
針對以上所分析的電源噪聲干擾的不同表現(xiàn)形式及其成因,可以針對性地破壞其發(fā)生的條件,就能有效抑制電源噪聲的干擾。解決的方法有:
1)注意板上通孔。通孔使得電源層上需要刻蝕開口以留出空間給通孔通過。而如果電源層開口過大,勢必影響信號回路,信號被迫繞行,回路面積增大,噪聲加大,同時如果一些信號線都集中在開口附近,共用這一段回路,公共阻抗將引發(fā)串?dāng)_。
2)放置電源噪聲濾波器。它能有效抑制電源內(nèi)部的噪聲,提高系統(tǒng)的抗干擾性和安全性。并且它是雙向射頻濾波器,既能濾掉從電源線上引入的噪聲干擾(防止其他設(shè)備的干擾),又能濾掉自身所產(chǎn)生的噪聲(避免干擾其他設(shè)備),對串模共模干擾均起抑制作用。
3)電源隔離變壓器。將電源環(huán)路或信號電纜的共模地環(huán)路分開,它能對高頻中所產(chǎn)生的共模環(huán)路電流進(jìn)行有效隔離。
4)電源穩(wěn)壓器。重獲一個更干凈的電源,能很大程度地降低電源噪聲大小。
5)布線。電源的輸入輸出線應(yīng)避免布在介質(zhì)板的邊緣,否則容易產(chǎn)生輻射,干擾其他電路或設(shè)備。
6)模擬與數(shù)字電源要分開。高頻器件一般對數(shù)字噪音非常敏感,所以兩者要分開,在電源的入口處接在一起。若信號要跨越模擬和數(shù)字兩部分的話,可以在信號跨越處放置一條回路以減小環(huán)路面積。
7)避免分開的電源在不同層間重疊。盡量將其錯開,否則電源噪聲很容易通過寄生電容耦合過去。
8)隔離敏感元件。有些元件如鎖相環(huán)(PLL)對電源噪聲非常敏感,應(yīng)讓它們離電源盡可能的遠(yuǎn)。
9)連接線需要足夠多的地線。每一信號需要有自己的專有的信號回路,而且信號和回路的環(huán)路面積盡可能小,也就是說信號與回路要并行。
10)放置電源線。為了減小信號回路,可通過放置電源線在信號線邊上來實(shí)現(xiàn)減小噪聲。
11)為了防止電源噪聲對電路板的干擾以及外界對電源的干擾而導(dǎo)致的累加噪聲,可以在干擾路徑上(輻射除外)并連一個旁路電容接地,這樣能將噪聲旁路到地以避免干擾其他設(shè)備和器件。
結(jié)論
電源噪聲是直接或者間接的從電源中產(chǎn)生出來的,并且對電路進(jìn)行干擾,在抑制它對電路的影響的時候,應(yīng)該遵循一個總的原則,那就是:一方面,要盡可能阻止電源噪聲對電路的影響,另一方面,也要盡可能減小外界或者電路對電源的影響,以免惡化電源的噪聲。
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