高頻PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中的電源噪聲的分析及對(duì)策

高頻PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中的電源噪聲的分析及對(duì)策

在高頻PCB板中，較重要的一類干擾便是電源噪聲。筆者通過(guò)對(duì)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(jiǎn)便的解決辦法。

　　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(gè)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(duì)高頻信號(hào)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。電源特性如圖1所示。

?????? 從圖1可以看出，理想情況下的電源是沒(méi)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(gè)電源上的，因此，噪聲也會(huì)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(hào)提供一個(gè)信號(hào)回路，這樣可以最小化信號(hào)回路，從而減小噪聲。

　　2）共模場(chǎng)干擾。指的是電源與接地之間的噪聲，它是因?yàn)槟硞€(gè)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(chǎng)和磁場(chǎng)的相對(duì)的強(qiáng)弱來(lái)定。如圖2。

　　
?????? 在該通道上，Ic的下降會(huì)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(chǎng)占主要地位，在串聯(lián)地回路中產(chǎn)生的共模電壓的值是：

?????? 　　
??????
?????? 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(chǎng)，已知它的電場(chǎng)值時(shí)，其感應(yīng)電壓為

?????? 　　
??????
?????? 式（2）一般適用于L=150/F以下，F(xiàn)為電磁波頻率MHz。

　　筆者的經(jīng)驗(yàn)是：如果超過(guò)這個(gè)限制的話，最大感應(yīng)電壓的計(jì)算可簡(jiǎn)化為：

?????? 　　
??????
?????? 3）差模場(chǎng)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(gè)不同的并聯(lián)電路之間存在著互電容C和互感M1-2時(shí)，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(guò)容性阻抗耦合的電壓為

?????? 　　
??????
?????? 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(guò)感性耦合的串聯(lián)電阻

?????? 　　
???????
?????? 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。

　　5）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(duì)高頻電路的干擾。需要說(shuō)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(lái)（輻射或傳導(dǎo)）去干擾其他的電路或者器件。

　　消除電源噪聲干擾的對(duì)策

　　針對(duì)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(duì)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(guò)。而如果電源層開口過(guò)大，勢(shì)必影響信號(hào)回路，信號(hào)被迫繞行，回路面積增大，噪聲加大，同時(shí)如果一些信號(hào)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)_。參看圖3。

　　
?????? 2）連接線需要足夠多的地線。每一信號(hào)需要有自己的專有的信號(hào)回路，而且信號(hào)和回路的環(huán)路面積盡可能小，也就是說(shuō)信號(hào)與回路要并行。

　　3）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(duì)串模共模干擾均起抑制作用。

　　4）電源隔離變壓器。將電源環(huán)路或信號(hào)電纜的共模地環(huán)路分開，它能對(duì)高頻中所產(chǎn)生的共模環(huán)路電流進(jìn)行有效隔離。

　　5）電源穩(wěn)壓器。重獲一個(gè)更干凈的電源，能很大程度地降低電源噪聲大小。

　　6）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。

　　7）模擬與數(shù)字電源要分開。高頻器件一般對(duì)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(hào)要跨越模擬和數(shù)字兩部分的話，可以在信號(hào)跨越處放置一條回路以減小環(huán)路面積。如圖4。

?????? 　　
??????
?????? 8）避免分開的電源在不同層間重疊。盡量將其錯(cuò)開，否則電源噪聲很容易通過(guò)寄生電容耦合過(guò)去。

　　9）隔離敏感元件。有些元件如鎖相環(huán)（PLL）對(duì)電源噪聲非常敏感，應(yīng)讓它們離電源盡可能的遠(yuǎn)。

　　10）放置電源線。為了減小信號(hào)回路，可通過(guò)放置電源線在信號(hào)線邊上來(lái)實(shí)現(xiàn)減小噪聲，如圖5。

　　
?????? 11）為了防止電源噪聲對(duì)電路板的干擾以及外界對(duì)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(gè)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(lái)的，并且對(duì)電路進(jìn)行干擾，在抑制它對(duì)電路的影響的時(shí)候，應(yīng)該遵循一個(gè)總的原則，那就是：一方面，要盡可能阻止電源噪聲對(duì)電路的影響，另一方面，也要盡可能減小外界或者電路對(duì)電源的影響，以免惡化電源的噪聲。