DC/DC開關(guān)電源的接地反彈講解

電路接地在電路原理圖中看起來很簡(jiǎn)單，但是，電路的實(shí)際性能是由其印制電路板（PCB）布局決定的。如果很好地理解“接地“引起的接地噪聲的物理本質(zhì)可提供一種減小接地噪聲問題的直觀認(rèn)識(shí)。

接地反彈（Ground bounce）簡(jiǎn)稱地彈會(huì)產(chǎn)生幅度為幾伏的瞬態(tài)電壓；最常見的是由磁通量變化引起的。傳輸電流的導(dǎo)線環(huán)路實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)磁場(chǎng)，其磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流成正比。磁通量與穿過環(huán)路面積和磁場(chǎng)強(qiáng)度乘積成正比。

磁通量∝磁場(chǎng)強(qiáng)度×環(huán)路面積

更精確的表示是：ΦB = BA cosφ

其中磁通量ΦB等于磁場(chǎng)強(qiáng)度B乘以穿過環(huán)路平面A和磁場(chǎng)方向與環(huán)路平面單位矢量夾角φ的余弦。

圖1示出了磁通量與電流之間的關(guān)系。一個(gè)電壓源驅(qū)動(dòng)電流克服電阻沿導(dǎo)線環(huán)路流動(dòng)。電流與環(huán)繞導(dǎo)線的磁通量相關(guān)聯(lián)。為了將不同的物理量聯(lián)系起來，可以考慮用你的右手握住導(dǎo)線（應(yīng)用右手定則）。如果你的拇指指向電流的方向，那么你的其它手指將沿磁場(chǎng)磁力線方向環(huán)繞導(dǎo)線。因?yàn)槟切┐帕€穿過環(huán)路，所以形成了磁通量，在本例中磁通量方向?yàn)榇┤腠?yè)面。

改變磁場(chǎng)強(qiáng)度或環(huán)路面積都會(huì)引起磁通量變化。當(dāng)磁通量變化時(shí)，在導(dǎo)線中產(chǎn)生與磁通量變化率dΦB/d t成正比的電壓。應(yīng)該注意的是，當(dāng)環(huán)路面積固定，電流變化；或者電流恒定，環(huán)路面積變化；或者兩種情況同時(shí)變化——都會(huì)改變磁通量。

例如，假設(shè)圖2中的開關(guān)突然斷開。當(dāng)電流停止流動(dòng)時(shí)，磁通量消失，這會(huì)沿導(dǎo)線各處產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)大電壓。如果導(dǎo)線的一部分是一個(gè)接地返回引腳，那么以地電平為參考端的電壓會(huì)產(chǎn)生一個(gè)尖峰，從而在任何使用該引腳為接地參考端的電路中都會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)。

通常，PCB印制線電阻上的電壓降不是接地反彈的主要來源。1 盎司（oz）銅的電阻為500 微歐/方數(shù)（μΩ/□），因此1 A電流變化只能產(chǎn)生500 μV/□的反彈電壓——問題只存在于采用細(xì)長(zhǎng)印制線或菊花鏈?zhǔn)浇拥鼗蚓?a target="_blank">電子電路。

寄生電容器的充電和放電為瞬態(tài)大電流返回到地提供了一條路徑。由于電流變化引起的磁通量變化也引起接地反彈。

在DC/DC開關(guān)電源中減少接地反彈的最好方法就是控制磁通量變化——使電流環(huán)路面積和環(huán)路面積變化最小。

在某些情況下，例如圖3所示，電流保持恒定，而開關(guān)切換引起環(huán)路面積變化，因此產(chǎn)生磁通量的變化。在開關(guān)狀態(tài)1中，一個(gè)理想的電壓源通過理想導(dǎo)線與一個(gè)理想電流源相連。電流在一個(gè)包含接地回路的環(huán)路中流動(dòng)。

在開關(guān)狀態(tài)2中，當(dāng)開關(guān)改變位置時(shí)，同樣的電流在不同的路徑中流動(dòng)。電流源為直流（DC），且并沒有變化，但環(huán)路面子發(fā)生了變化。環(huán)路面積的變化意味著磁通量的變化，所以產(chǎn)生了電壓。因?yàn)榻拥鼗芈窞樽兓h(huán)路的一部分，所以它會(huì)產(chǎn)生反彈電壓。

接地反彈電壓主要是由于磁通量變化引起的。在DC/DC開關(guān)電源中，磁通量變化是由于在不同的電流環(huán)路面積之間高速切換DC電流引起的。

一個(gè)合理的布線應(yīng)該將真正的地放在連接負(fù)載的底層，不會(huì)引起環(huán)路面積的變化或電流的變化。任何其它與導(dǎo)通相關(guān)的點(diǎn)都可以稱為“地”，但它只是沿著返回路徑的一點(diǎn)而已。

審核編輯：湯梓紅