討論設(shè)計(jì)電源方案的降低開關(guān)電源噪聲簡單設(shè)計(jì)技術(shù)

首先，線路板設(shè)計(jì)帶有開關(guān)模式電源（SMPS）的電路可能會(huì)令人生畏，尤其是在嘗試降低噪聲時(shí)。

我們了解SMPS電路中噪聲（波紋和EMI）的概念，以及電路的布局和可以減輕噪聲的簡單設(shè)計(jì)技術(shù)。我們將從更大的系統(tǒng)角度討論噪聲。在一塊板上放置多個(gè)開關(guān)模式電源可能會(huì)帶來新的挑戰(zhàn)，我們將討論設(shè)計(jì)電源方案的方式，以使這些電源不會(huì)相互干擾。

SMPS并非旨在獨(dú)立存在。它是大型系統(tǒng)的一部分。應(yīng)仔細(xì)評(píng)估基于可用電壓和所需電壓的整體電源架構(gòu)，以獲取最有效，最具成本效益和最實(shí)用的結(jié)果。

例如，假設(shè)您有一個(gè)12V的電源軌，并需要3.3V的I / O軌，一個(gè)1.8V的RAM軌和一個(gè)1.2V的處理器核心電源軌。您可以選擇從具有更大電流能力的降壓轉(zhuǎn)換器中獲得3.3V電源軌，而不是使用三個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器來獲得每個(gè)所需的輸出，然后使用線性穩(wěn)壓器將3.3V電源軌作為產(chǎn)生的1.2V和1.8V輸入。

另一種選擇是通過降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生3.3V，然后級(jí)聯(lián)LDO從3.3V產(chǎn)生1.8V，從1.8V產(chǎn)生1.2V。由此產(chǎn)生的電路在紋波和EMI方面可能更安靜。盡管線性穩(wěn)壓器的效率遠(yuǎn)低于其開關(guān)模式表親，但它們確實(shí)具有優(yōu)勢(shì)。它們通常更便宜，需要更少的電路板空間以及需要更少的無源組件來運(yùn)行。

線性穩(wěn)壓器還具有抑制輸入上存在的噪聲的能力。此度量標(biāo)準(zhǔn)稱為電源抑制比（PSRR），它表示輸入電壓紋波和輸出電壓紋波之間的比率，以分貝為單位。通常，它們約為40-60dB，但有些可能會(huì)高達(dá)90dB或更高。一個(gè)非常敏感的網(wǎng)絡(luò)（例如對(duì)于RAM或內(nèi)核電壓）具有更嚴(yán)格的電壓紋波要求，并且通過LDO對(duì)其供電是一種將紋波降至最低的方法。

在一塊電路板上放置多個(gè)SMPS時(shí)，同步其時(shí)鐘可能會(huì)很有用。SMPS器件通?？刂谱约旱膬?nèi)部MOSFET的開關(guān)，同時(shí)通常允許設(shè)計(jì)人員使用外部元件選擇該開關(guān)頻率。但是，某些降壓/升壓器件帶有“ SYNC”引腳—用于外部時(shí)鐘信號(hào)的引腳。

所有電源都應(yīng)使用相同的開關(guān)頻率，并且應(yīng)考慮信號(hào)的相位。這意味著電源應(yīng)全部同時(shí)開關(guān)（饋給相同的時(shí)鐘信號(hào)，可能是由微控制器產(chǎn)生的），或者應(yīng)該一個(gè)接一個(gè)地依次切換（由一個(gè)多相振蕩器產(chǎn)生，例如LTC6902）。

圖1. LTC6902生成的一個(gè)3相（信號(hào)之間的120°相移），1 MHz時(shí)鐘信號(hào)，每個(gè)3相具有33％的占空比

選擇開關(guān)頻率是設(shè)計(jì)開關(guān)電源的最重要因素之一。該主題已被涵蓋很多次，包括在文章“如何在所有電路上選擇開關(guān)穩(wěn)壓器的頻率”中。

通常，較高的開關(guān)頻率將導(dǎo)致較低的電壓紋波。但是，每個(gè)電路的切換速度都有一個(gè)上限。這由最短的接通時(shí)間決定，這是設(shè)備可以使開關(guān)保持閉合狀態(tài)的最短時(shí)間。

V out = t on（min） x V In x F S（max） xη

根據(jù)數(shù)據(jù)表中的已知輸入電壓（VI n），所需輸出電壓（Vout），效率（η）和最小導(dǎo)通時(shí)間（t on（min）），器件的最大開關(guān)頻率（F S（max）），可以計(jì)算出給定的設(shè)計(jì)。對(duì)于時(shí)鐘將被同步的多個(gè)開關(guān)調(diào)節(jié)器，開關(guān)頻率不得超過計(jì)算出的最小F S（max）。

雖然它可能與EMI或電壓紋波沒有直接關(guān)系，但SMPS在板上的位置會(huì)影響系統(tǒng)性能。最好將開關(guān)模式電源放置在盡可能靠近電壓輸入的位置，并使電源遠(yuǎn)離敏感信號(hào)，例如高速數(shù)字信號(hào)（例如，以太網(wǎng)和USB）或模擬信號(hào)（例如，音頻）或模擬傳感器），可能會(huì)因開關(guān)噪聲而損壞。

一些設(shè)計(jì)人員建議使用“開關(guān)接地”（類似于模擬和數(shù)字接地的概念），但是分開的接地會(huì)給經(jīng)驗(yàn)不足的設(shè)計(jì)人員帶來麻煩。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，布局和在PCB上的位置都可以完成工作。

降低SMPS噪聲的其他方法

對(duì)于在敏感環(huán)境中使用的電路（其中存在其他易受影響的設(shè)備或其他會(huì)產(chǎn)生EMI的設(shè)備），在PCB上包括EMI屏蔽會(huì)很有幫助。該屏蔽層就像放在敏感或EMI產(chǎn)生組件上的導(dǎo)電金屬盒一樣簡單。這些防護(hù)罩可以直接購買，可以在其周圍設(shè)計(jì)布局，也可以定制設(shè)計(jì)（大量或手工切割或折疊成一定尺寸的金屬板制成）。

圖2. EMI屏蔽。

在定制PCB上也可以部署許多現(xiàn)成的SMPS解決方案。這些模塊可以節(jié)省電路板空間和設(shè)計(jì)復(fù)雜性，但需要付出較高的代價(jià)。
編輯：hfy