開關(guān)電源電磁干擾的噪聲來源

在探討如何消除開關(guān)電源的噪聲之前，我們從源頭開始了解一下開關(guān)電源的噪聲是如何產(chǎn)生的，后續(xù)針對(duì)開關(guān)噪聲以及DC-DC是外置MOS還是集成MOS兩種類型確定靜噪策略。

01 DC-DC的電流路徑

首先，使用同步整流型降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的等效電路來了解一下開關(guān)電源電流的路徑：

圖1  Q1（高邊開關(guān)）ON 時(shí)的電流路徑

如圖1所示，Q1為高邊開關(guān)，Q2為低邊開關(guān)。Q1導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)Q2為關(guān)斷狀態(tài)，電流Iin路徑是從輸入電容器Cin（上階段Cin已經(jīng)充滿電）到Q1、再經(jīng)由電感L到輸出電容器Cout和負(fù)載Rload。

圖2 Q2（低邊開關(guān)）ON 時(shí)的電流路徑

圖2在Q2導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)Q1為關(guān)斷狀態(tài)，Q1導(dǎo)通階段Cout已經(jīng)儲(chǔ)滿電量，Q1剛進(jìn)入關(guān)斷時(shí)，電感L其反向電動(dòng)勢(shì)維持輸出電流Iout，而后電感能量減弱，Cout就會(huì)開始參與放電維持Iout，注意看電容藍(lán)色電流虛線，電流路徑是L經(jīng)由負(fù)載Rload到Q2。

圖3 圖1和圖2的電流路徑差異

圖3綠框表示圖1和圖2這些電流路徑之間的差異，每當(dāng)開關(guān)ON/OFF時(shí)，紅色線路的電流都會(huì)急劇變化。該環(huán)路的電流變化非常劇烈，所以會(huì)因PCB布線的電感分量而在環(huán)路內(nèi)產(chǎn)生高頻振鈴，產(chǎn)生的電壓可通過下列公式來計(jì)算：

如果在電感分量為10nH的布線中1A電流在10ns內(nèi)變化，則將產(chǎn)生1V電壓。

02 DC-DC的寄生分量

圖4 電源電路的實(shí)裝電路板的寄生分量

紅色部分標(biāo)出的是圖4所表示的電流在急劇變化的環(huán)路中的寄生分量，布線中存在布線電感，通常每1mm有1nH左右的電感。另外，電容器中存在等效串聯(lián)電感ESL，MOSFET的各引腳間存在寄生電容，而開關(guān)MOS的上升/下降時(shí)間是幾ns。因此，如圖5波形圖所示，開關(guān)節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)生100MHz～300MHz的振鈴。所產(chǎn)生的電流和電壓，可通過如下給出的兩個(gè)公式求得。

圖5 寄生分量和振鈴之間的關(guān)系

紅色波形是開關(guān)噪聲分量，青色波形是基波分量，在上升/下降時(shí)出現(xiàn)100MHz至300MHz的強(qiáng)烈振鈴。

圖6 開關(guān)電源電路產(chǎn)生的噪聲

這種振鈴會(huì)作為高頻開關(guān)噪聲帶來各種影響，如圖6，即使優(yōu)化環(huán)路，殘留的開關(guān)噪聲成分也會(huì)作為共模噪聲傳導(dǎo)到電源端，必須采取措施，通過在傳輸線中插入電感器等高阻抗元件來限制噪聲，還必須注意串?dāng)_。雖然有采取相應(yīng)的措施，但由于無法從電源IC處去除安裝電路板的寄生分量，因此只能通過PCB板布局設(shè)計(jì)及采用去藕電容來解決。

03 小結(jié)

① 在開關(guān)時(shí)會(huì)產(chǎn)生急劇電流ON/OFF的環(huán)路中，會(huì)因寄生分量產(chǎn)生高頻振鈴（＝開關(guān)噪聲）。

② 可通過優(yōu)化PCB布線等做法來降低這種開關(guān)噪聲，但即使這樣，殘留的噪聲也會(huì)作為共模噪聲傳導(dǎo)至輸入電源，因此需要采取措施防止噪聲泄露。