技術資訊 | 開關穩(wěn)壓電路中的寄生噪聲

所有的PCB 布局都有寄生因素，但這些因素并不會總是給您的電路帶來重大問題。在某些電路中，它們可能非常麻煩，并且需要一些額外的電路來防止由寄生因素引起的噪聲問題。典型的例子是開關穩(wěn)壓電路，它在組件和 PCB 布局中需要考慮重要的寄生參數(shù)。寄生效應在開關穩(wěn)壓電路的 PCB 布局中的以下區(qū)域中特別突出：

開關 MOSFET 的端子和主體中的電感和電容

反饋回路和高 dI/dt 回路中的回路電感（輸入和輸出）

PCB布局中開關節(jié)點和其他導體之間的互電容

本文向大家介紹一些可用于控制源自這些寄生效應的噪聲問題的電路設計和布局策略。

開關穩(wěn)壓電路中的寄生問題

如果將開關穩(wěn)壓電路原理圖與這些器件的 PCB 布局進行比較，很容易看出 PCB 布局中可能存在寄生效應。在這些設計中，寄生電容和電感會產(chǎn)生上述噪聲問題，但一些簡單的設計策略可以幫助抑制這些噪聲問題。在接下來的示例中，我們將使用以下降壓轉換電路來說明這些原理，相同的方法也適用于其他拓撲結構。

標準降壓轉換器拓撲

（一）、設計輸出濾波器降低開關噪聲的一種方法是在輸出端放置一個濾波電路。這通常用于輸出級聯(lián)的 LC 電路，如下所示。在本例中，電容器將具有一些有效串聯(lián)電阻 (ESR)，通常遠小于 1 Ω。

降壓轉換器輸出濾波器示例。

這種設計的挑戰(zhàn)是需要確保新的濾波器元件不會為電路的傳遞函數(shù)增加一個額外的極點，這會導致時域中的欠阻尼振蕩（振鈴）。抑制任何瞬態(tài)響應的最簡單方法是使用更大的電容器，并在電容器上串聯(lián)一個小電阻器（僅幾 Ω）。這里需要進行一些實驗和仿真，以確保沒有過多的瞬態(tài)振蕩，并確保適當?shù)匾种崎_關噪聲。（二）正確設計交換節(jié)點準確估計開關節(jié)點的電容，以確保電容與高端和低端 MOSFET 電容相比不會太高。作為一般規(guī)則，開關節(jié)點必須足夠大，以流通所需的電流，但又要足夠小，以具有低電容。如果開關節(jié)點電容太大，則可能需要將其尺寸縮小，以確保電流限制在開關 MOSFET 中，而不是通過寄生電容耦合。

開關負載電容與低端 MOSFET 電容。

值得慶幸的是，與上面示例降壓轉換器中所示的低端 MOSFET 電容相比，開關節(jié)點電容通常非常小。

• 開關節(jié)點電容：約 24 pF/sq。mm（假設基板 Dk = 4，厚度 = 0.1 mm，邊緣因子為 4）
• l MOSFET DS 電容：大約 1-10 nF

這意味著，對于具有高電容的物理大型 MOSFET，開關節(jié)點至少需要 40 平方毫米，以允許噪聲繞過低側 MOSFET 并到達接地網(wǎng)絡。因此，我們通?？梢院雎蚤_關節(jié)點對 GND 的電容。更重要的是與其他電路的互電容，它允許在高 dV/dt 擺幅下進行噪聲耦合。使接地更靠近開關節(jié)點有助于減少這種互電容。（三）、RC 緩沖器當我們在開關穩(wěn)壓器方面提到 RC 緩沖器時，它被放置在低端 MOSFET 上，如下所示。

RC 緩沖器放置在開關穩(wěn)壓器電路中。

如果 RC 支路具有足夠高的阻抗（在 MOSFET 的固有頻率下通常為幾 Ω），則可以抑制 MOSFET 的開關瞬態(tài)響應。此 RC 支路的設計和仿真需要一個精確的 MOSFET 電路模型，其中必須包括寄生效應，以便正確計算和仿真。總結

與往常一樣，在實施解決 PCB 布局或電路設計中的寄生問題的解決方案時，請務必仿真您的想法。在這種情況下，所需的仿真包括瞬態(tài)分析和頻率掃描，以評估附加電路部分將如何作用于您的開關穩(wěn)壓器電路。

總的來說，下面這些 PCB 設計和布局建議可以幫助您抑制電源調節(jié)器電路中的噪聲：

1. 使地更靠近開關節(jié)點

2. 使用更小的交換節(jié)點

3. 如果MOSFET振鈴太大，請使用 RC 緩沖電路

4. 使用具有臨界阻尼響應的輸出濾波器來降低開關噪聲，而不會產(chǎn)生新的瞬態(tài)振鈴問題

當您需要設計和仿真您的開關穩(wěn)壓器電路并驗證寄生電容的影響時，Cadence的PSpice是業(yè)界最佳的電路設計和仿真工具。PSpice 用戶可以訪問強大的 SPICE 模擬器以及專業(yè)設計功能，如模型創(chuàng)建、圖形和分析工具等等。