電源電路中電氣噪聲的產(chǎn)生和傳播機(jī)制

大多數(shù)便攜設(shè)備包含有電壓調(diào)節(jié)器或其它類型的電源電路，許多非便攜式設(shè)備中使用的小尺度光刻技術(shù)ic要求較低的供電電壓，也必須由特定的電源電路來(lái)提供，而電壓調(diào)節(jié)器和電源電路的選擇對(duì)于電池壽命、emi/emc規(guī)范的兼容性、甚至產(chǎn)品的基本性能能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求都有著重大影響。本文主要討論電源電路中電氣噪聲的產(chǎn)生和傳播機(jī)制。

　　一、電壓調(diào)節(jié)器

????最為普通的功率轉(zhuǎn)換器就是電壓調(diào)節(jié)器，主要包含：開關(guān)型、并聯(lián)型和線性調(diào)節(jié)器。線性和并聯(lián)型調(diào)節(jié)器的適用范圍很有限，其輸出電壓必須保持低于輸入電壓。另外，大多數(shù)開關(guān)調(diào)節(jié)器的效率也優(yōu)于對(duì)應(yīng)的線性或并聯(lián)型調(diào)節(jié)器。不過(guò)，線性/并聯(lián)型調(diào)節(jié)器的低噪聲和簡(jiǎn)單性使它們相對(duì)于開關(guān)調(diào)節(jié)器更有吸引力。

　　最簡(jiǎn)單的電壓調(diào)節(jié)器是并聯(lián)型調(diào)節(jié)器，它通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)電阻的電流，使輸入電壓下降到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電平。齊納二極管具有類似功能，但齊納管中的功率消耗過(guò)大，且負(fù)載調(diào)整能力很差。有些并聯(lián)調(diào)節(jié)器允許利用分壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)定穩(wěn)定電壓，但通常是作為一個(gè)功能模塊出現(xiàn)在更為復(fù)雜的調(diào)節(jié)器或電源中。一般來(lái)講，并聯(lián)調(diào)節(jié)器適合于負(fù)載電流變化不大的低功耗系統(tǒng)。然而，這種狹窄的應(yīng)用范圍可以通過(guò)增加一個(gè)有源調(diào)整元件（通常是一個(gè)雙極晶體管）而得以擴(kuò)展，此時(shí)的并聯(lián)調(diào)節(jié)器就轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性調(diào)節(jié)器。

????線性調(diào)節(jié)器的輸入電流接近于輸出電流，它的效率（輸出功率除以輸入功率）接近于輸出/輸入電壓比。因此，壓差是一個(gè)非常重要的性能，因?yàn)楦偷膲翰钜馕吨叩男省５蛪翰罹€性穩(wěn)壓器（ldo）可作為一道屏障來(lái)隔離開關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的噪聲，在此用途中，ldo調(diào)節(jié)器的低壓差特性有利于改善電路的總體效率。如果線性或并聯(lián)型調(diào)節(jié)器的性能不能滿足應(yīng)用要求，那么設(shè)計(jì)者就必須轉(zhuǎn)而考慮開關(guān)型調(diào)節(jié)器。開關(guān)調(diào)節(jié)器或電源所產(chǎn)生的噪聲以傳導(dǎo)或輻射的形式出現(xiàn)，傳導(dǎo)型噪聲表現(xiàn)為電壓或電流形式，它們還可進(jìn)一步分類為共模或差模傳播方式。更為復(fù)雜的是，連接線上有限的阻抗會(huì)將電壓/電流傳播轉(zhuǎn)換為電流/電壓傳播，另外差模/共模傳播也會(huì)產(chǎn)生出共模/差模傳播噪聲。

????通過(guò)降低上述一種或多種傳播類型的噪聲可以使電路得到優(yōu)化，傳導(dǎo)型噪聲對(duì)于固定安裝系統(tǒng)的影響往往比對(duì)便攜式系統(tǒng)更為嚴(yán)重。因?yàn)楸銛y式設(shè)備依靠電池工作，它的負(fù)載和能源沒(méi)有傳播傳導(dǎo)型噪聲的外部連接。從一般意義上講，各種開關(guān)調(diào)節(jié)器都是利用有源元件（晶體管和二極管）在儲(chǔ)能元件（電感器和電容器）之間往復(fù)傳送電流，最終實(shí)現(xiàn)源端電壓/電流到負(fù)載端電壓/電流的轉(zhuǎn)換。為方便描述，考慮一個(gè)采用max1653 dc-dc轉(zhuǎn)換控制器構(gòu)成的典型同步整流、降壓型轉(zhuǎn)換器。

????降低傳導(dǎo)型噪聲的一種最直接的方法是：在輸入端連接低阻抗旁路電容。另外一種方式較為靈巧，更節(jié)省成本和線路板空間，即：在電源和轉(zhuǎn)換器之間增加電感器，確保必要的直流電流能夠不受阻礙地通過(guò)，但應(yīng)確保轉(zhuǎn)換器在最高至環(huán)路的轉(zhuǎn)折頻率都有一個(gè)比較低的輸入阻抗（大多數(shù)dc-dc開關(guān)轉(zhuǎn)換器的環(huán)路轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于10khz到100khz間）。否則的話，輸入電壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定。

????輸出電容（cout）上的紋波電流要比cin上的低得多，不但幅度較低，并且（不同于輸入電容）電流是連續(xù)的，因此也就具有比較少的諧波成分。通常，每匝線圈都被一層絕緣物質(zhì)覆蓋，這就在各匝線圈之間形成了一個(gè)小的電容。這些雜散電容串聯(lián)疊加后形成一個(gè)和電感相并聯(lián)的小等效電容，它提供了一條將沖擊電流傳導(dǎo)至cout和負(fù)載的通路。這樣，開關(guān)節(jié)點(diǎn)處（lx）電壓波形的不連續(xù)跳變沿就會(huì)向cout和負(fù)載傳送高頻電流，結(jié)果常常是在輸出電壓上形成毛刺，能量分布于20mhz至50mhz范圍。

????這種類型轉(zhuǎn)換器的負(fù)載常常是對(duì)于傳導(dǎo)噪聲敏感的微電子電路，不過(guò)幸運(yùn)的是，轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)噪聲在輸出端比起輸入端來(lái)更容易控制。和輸入端一樣，輸出傳導(dǎo)噪聲也可以利用低阻抗旁路或第二級(jí)濾波來(lái)加以控制。需要注意的是，第二級(jí)（后端）濾波器的使用應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎。輸出電壓是控制環(huán)路中的一個(gè)控制變量，輸出濾波器給環(huán)路增益附加了延時(shí)或相移（或兩者），有可能使電路不穩(wěn)定。如果一個(gè)高q值lc后端濾波器被置于反饋點(diǎn)之后，電感器的電阻將會(huì)降低負(fù)載調(diào)整特性，并且瞬態(tài)負(fù)載電流會(huì)引起輸出振蕩。降壓轉(zhuǎn)換器中的上述問(wèn)題同樣存在于其它類型的開關(guān)轉(zhuǎn)換器中。

　　二、共模噪聲

????按照定義，共模傳導(dǎo)噪聲在輸入或輸出端的兩條連接線上相位相同。一般來(lái)講，它僅對(duì)那些和大地有連接通路的固定系統(tǒng)造成影響。在一個(gè)帶有共模濾波器的典型離線式電源中，共模噪聲的主要產(chǎn)生源是mosfet。mosfet通常是電路中的主要耗能元件，很多情況下需要配散熱器。

????to-220器件的散熱片連接于mosfet漏極，而大多數(shù)情況下，散熱器會(huì)向大地傳導(dǎo)電流。由于mosfet與散熱器電氣隔離，它和大地之間具有一定的分布電容。隨著它的打開和關(guān)斷，迅速變化的漏極電壓會(huì)通過(guò)分布電容（cp1）向大地發(fā)送電流。由于交流電線和大地之間的低阻抗，這種共模電流會(huì)通過(guò)交流輸入流入大地。變壓器也會(huì)通過(guò)分布于隔離的初、次級(jí)繞組間的電容（cp2a，cp2b）傳導(dǎo)高頻電流。這樣，噪聲會(huì)同時(shí)傳向輸出端和輸入端。圖2中，共模傳導(dǎo)噪聲被安置在噪聲源（電源）和輸入或輸出之間的共模濾波器抑制。共模扼流圈（cml1，cml2）通常是在單一磁芯上按圖中所示極性繞制而成。負(fù)載電流和驅(qū)動(dòng)電源的入線電流都是差模電流（電流由一條線流入另一條線流出）。在這種由單一磁芯繞制的共模扼流圈中，差模電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相抵消，因此可以使用較小的磁芯，因?yàn)槠渲械膬?chǔ)能很小。許多為離線式電源設(shè)計(jì)的共模扼流圈采用空間上分離的線圈繞成。這種結(jié)構(gòu)增加了一定的差模電感，這有助于降低傳導(dǎo)型差模噪聲。由于磁芯同時(shí)穿過(guò)兩組線圈，所以由差模電流和差模電感產(chǎn)生的磁場(chǎng)主要存在于空氣中而非磁芯中，這會(huì)導(dǎo)致電磁輻射。產(chǎn)生于電源所帶負(fù)載的共模噪聲會(huì)經(jīng)由變壓器中的分布電容（cp2a，cp2b），穿過(guò)電源向交流電網(wǎng)傳播。在變壓器中增加法拉第屏蔽（初、次級(jí)之間的接地層）可以降低這種噪聲。

　　三、電場(chǎng)

????由于電場(chǎng)存在于兩個(gè)具有不同電位的表面或?qū)嶓w之間，因此，只需要用一個(gè)接地的防護(hù)罩將設(shè)備屏蔽起來(lái)，就可以相對(duì)容易地將設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的電場(chǎng)噪聲限制在屏蔽罩內(nèi)部。這種屏蔽措施已被廣泛用于監(jiān)視器、示波器、開關(guān)電源以及其它具有大幅度電壓擺動(dòng)的設(shè)備。另外一種通行的做法是在線路板上設(shè)置接地層。電場(chǎng)強(qiáng)度正比于表面之間的電位差，并反比于它們之間的距離。舉例來(lái)講，電場(chǎng)可存在于源和附近的接地層之間。這樣，利用多層線路板，在電路或連線與高電位之間設(shè)置一個(gè)接地層，就可以對(duì)電場(chǎng)起到屏蔽作用。不過(guò)，在采用接地層時(shí)還應(yīng)注意到高壓線路中的容性負(fù)載。電容器儲(chǔ)能于電場(chǎng)中，這樣，當(dāng)靠近一個(gè)電容器設(shè)置接地層時(shí)就在導(dǎo)體和地之間形成一個(gè)電容。導(dǎo)體上的大dv/dt信號(hào)會(huì)產(chǎn)生大傳導(dǎo)電流到地，這樣，在控制輻射噪聲的同時(shí)卻增大了傳導(dǎo)噪聲。

　　如果出現(xiàn)電場(chǎng)散射，來(lái)源最有可能位于系統(tǒng)中電位最高的地方。在電源和開關(guān)調(diào)節(jié)器中，應(yīng)該注意開關(guān)晶體管和整流器，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂懈唠娢唬矣捎趲в猩崞鳎簿哂斜容^大的表面積。表面安裝器件同樣存在這個(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兂３Ｒ蟠竺娣e線路板覆銅來(lái)幫助散熱。這種情況下，還應(yīng)注意大面積散熱面和接地層或電源層之間的分布電容。

　　四、磁場(chǎng)

????電場(chǎng)相對(duì)比較容易控制，但磁場(chǎng)就完全不同了。采用高磁導(dǎo)率的物質(zhì)將電路封閉起來(lái)可以起到類似的屏蔽作用，但是這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難而且昂貴。通常來(lái)講，控制磁場(chǎng)散射最好的辦法就是在源頭將其減至最小。一般情況下，這就要求你選擇那些磁輻射小的電感和變壓器。同樣重要的還有，在進(jìn)行電路板布局和連接線配置時(shí)要注意最大限度減小電流回路的尺寸，尤其是那些載有大電流的回路。大電流回路不僅向外輻射磁場(chǎng)，它們還增加了導(dǎo)線的電感，這會(huì)在載有高頻電流的線上引起電壓尖刺。

　　五、電感器

????沒(méi)有電感或變壓器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)者傾向于選擇商品化的變壓器和電感。不過(guò)，了解一點(diǎn)磁性材料方面的知識(shí)將有助于設(shè)計(jì)者針對(duì)具體應(yīng)用做出最適當(dāng)?shù)倪x擇。降低電感散射的關(guān)鍵是選用高磁導(dǎo)率的材料，以便使磁場(chǎng)局限于磁芯中而不向周圍空間散射。高磁導(dǎo)率介質(zhì)不能儲(chǔ)存很多能量，所以，為了縮小電感尺寸，常常采用帶有氣隙的高磁導(dǎo)率磁芯。

　　六、布局

????元件的選擇對(duì)于控制emi至關(guān)重要，但電路板的布局和互連也具有同等重要的影響。尤其是對(duì)于高密度、采用多層電路板的開關(guān)電源，元件的布局和走線對(duì)于電路的正常工作具有重要的影響。功率的切換可以在連接線上產(chǎn)生很大dv/dt和di/dt的信號(hào)，它可以耦合到其它連線上造成兼容性問(wèn)題。不過(guò)，只要在關(guān)鍵回路的布局方面多加注意，就可避免兼容性問(wèn)題以及花費(fèi)很大代價(jià)去對(duì)線路板進(jìn)行修改。對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)講，輻射型和傳導(dǎo)型電磁干擾很容易區(qū)分，但具體到某快電路板或某段導(dǎo)線，問(wèn)題就變得復(fù)雜了。相鄰連線之間會(huì)有電場(chǎng)的耦合，同時(shí)也會(huì)通過(guò)分布電容傳導(dǎo)電流。同樣地，連線之間也會(huì)象變壓器一樣通過(guò)磁場(chǎng)發(fā)生耦合。這種相互作用可以利用集中元件進(jìn)行描述，也可以采用電磁場(chǎng)理論進(jìn)行分析。具體采用何種方法取決于系統(tǒng)的精確度要求。

????在進(jìn)行布線時(shí)，應(yīng)該保證接地層不向電路的敏感部分耦合噪聲。例如，輸入、輸出旁路電容就經(jīng)常通過(guò)接地層傳輸電流，高頻電流對(duì)于敏感電路會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影響。為避免這種問(wèn)題，常常在電路板上采用獨(dú)立的層面，分別用于電源和信號(hào)的接地。將不同層面在單點(diǎn)連接，那么，大功率接地層上的噪聲就不會(huì)注入到其它層面上去。這種做法類似于所有元件在單點(diǎn)接地的星形地（所有線條以“星”形匯聚至接地點(diǎn)），效果等同于采用獨(dú)立的功率和信號(hào)接地。??

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