開(kāi)關(guān)電源噪聲產(chǎn)生的原因

一背景

隨著電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)也在不斷地提升。時(shí)至今日，開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在幾乎所有的電子設(shè)備中，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展過(guò)程中不可或缺的一種電源方式。但是開(kāi)關(guān)電源的EMC的問(wèn)題一直是一個(gè)頭疼的事。

二開(kāi)關(guān)電源噪聲產(chǎn)生的原因

那么開(kāi)關(guān)電源噪聲產(chǎn)生的原因有哪些呢？

（1）穩(wěn)壓電源芯片輸出的電壓不穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生一定的紋波。

穩(wěn)壓電源芯片輸出不穩(wěn)定電壓有可能是穩(wěn)壓芯片的直流輸出端產(chǎn)生誤差、電源噪聲的峰值幅度造成開(kāi)關(guān)頻率的上升沿或下降沿出現(xiàn)錯(cuò)誤。而紋波的產(chǎn)生是在穩(wěn)壓電源芯片輸出的不穩(wěn)定造成電源噪聲余量不足，使得紋波的產(chǎn)生。

（2）穩(wěn)壓電源無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)后端負(fù)載對(duì)于電流的需求的快速變化及時(shí)響應(yīng)。

穩(wěn)壓電源芯片通過(guò)感知其輸出電壓的變化，調(diào)整其輸出電流，從而把輸出電壓調(diào)整回額定輸出值。多數(shù)常用的穩(wěn)壓源調(diào)整電壓的時(shí)間在毫秒到微秒級(jí)別。因此，對(duì)于負(fù)載電流變化頻率在直流或幾百KHz之間時(shí)，穩(wěn)壓源可以很好的做出調(diào)整，保持輸出電壓的穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)電流變化頻率超出這一范圍時(shí)，穩(wěn)壓源的電壓輸出會(huì)出現(xiàn)跌落，從而產(chǎn)生電源噪聲。

（3）負(fù)載瞬態(tài)電流在電源路徑和地路阻抗上產(chǎn)生一定的壓降。

三抑制開(kāi)關(guān)電源噪聲的措施

（1）對(duì)于第一種開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲，是芯片自身決定的，因此這種噪聲我們只能接受，但是選擇好一點(diǎn)的穩(wěn)壓電源芯片是必要的。這樣就可以減少部分噪聲，接受的噪聲必然不會(huì)太高。

（2）對(duì)于第二種電源噪聲的產(chǎn)生可以在負(fù)載前并聯(lián)一個(gè)電容。

圖1電容去耦電路

當(dāng)負(fù)載電流不變時(shí)，其電流由穩(wěn)壓電源部分提供，即圖1的I0，方向如圖所示。此時(shí)電容兩端電壓與負(fù)載兩端電壓一致，電流Ic為0，電容兩端存儲(chǔ)相當(dāng)數(shù)量的電荷，其電荷數(shù)量和電容量有關(guān)。當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)電流發(fā)生變化時(shí)，由于負(fù)載芯片內(nèi)部晶體管電平轉(zhuǎn)換速度極快，必須在極短的時(shí)間內(nèi)為負(fù)載芯片提供足夠的電流。但是穩(wěn)壓電源無(wú)法很快響應(yīng)負(fù)載電流的變化，因此，電流I0不會(huì)馬上滿(mǎn)足負(fù)載瞬態(tài)電流要求，因此負(fù)載芯片電壓會(huì)降低。但是由于電容電壓與負(fù)載電壓相同，因此電容兩端存在電壓變化。對(duì)于電容來(lái)說(shuō)電壓變化必然產(chǎn)生電流，此時(shí)電容對(duì)負(fù)載放電，電流Ic不再為0，為負(fù)載芯片提供電流。根據(jù)電容等式：

只要電容量C足夠大，只需很小的電壓變化，電容就可以提供足夠大的電流，滿(mǎn)足負(fù)載瞬態(tài)電流的要求。這樣就保證了負(fù)載芯片電壓的變化在容許的范圍內(nèi)。這里，相當(dāng)于電容預(yù)先存儲(chǔ)了一部分電能，在負(fù)載需要的時(shí)候釋放出來(lái)，即電容是儲(chǔ)能元件。儲(chǔ)能電容的存在使負(fù)載消耗的能量得到快速補(bǔ)充，因此保證了負(fù)載兩端電壓不至于有太大變化，此時(shí)電容擔(dān)負(fù)的是局部電源的角色。

可以從另一個(gè)層面去理解這個(gè)電容充當(dāng)電源的角色。如圖2所示，從AB到電源這邊看，可以把電源和電容等效成一個(gè)電源如圖3所示的等效電路。

圖2電源電路

圖3等效電路

這樣設(shè)計(jì)目標(biāo)是，不論AB兩點(diǎn)間負(fù)載瞬態(tài)電流如何變化，都要保持AB兩點(diǎn)間電壓變化范圍很小，根據(jù)公式：

這個(gè)要求等效于電源系統(tǒng)的阻抗Z要足夠低。在圖2中，我們是通過(guò)去耦電容來(lái)達(dá)到這一要求的，因此從等效的角度出發(fā)，可以說(shuō)去耦電容降低了電源系統(tǒng)的阻抗。

（3） 對(duì)于第三種的開(kāi)關(guān)電源的噪聲，PCB板上任何電氣路徑不可避免的會(huì)存在阻抗，不論是完整的電源平面還是電源引線(xiàn)。對(duì)于多層板，通常提供一個(gè)完整的電源平面和地平面，穩(wěn)壓電源輸出首先接入電源平面，供電電流流經(jīng)電源平面，到達(dá)負(fù)載電源引腳。地路徑和電源路徑類(lèi)似，只不過(guò)電流路徑變成了地平面。因此一個(gè)好的完整的地平面是非常必要的。

四總結(jié)

雖然開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用非常廣泛，但是開(kāi)關(guān)電源的EMI問(wèn)題也是最主要的。本文主要分析了開(kāi)關(guān)電源噪聲產(chǎn)生的三個(gè)原因，以及對(duì)應(yīng)的措施，后續(xù)還會(huì)繼續(xù)給大家?guī)?lái)更多有關(guān)于電源噪聲的文章，歡迎大家持續(xù)關(guān)注。

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