原创 使用电感降低开关电源噪声

2021-4-16 15:19 2759 12 2 分类: 电源/新能源
什么是电感的频率特性

在进入具体的电感降噪对策解说之前,先来简单回顾一下电感的频率特性。

首先,电感(线圈)具有以下基本特性,称之为“电感的感性电抗”

 ①直流基本上直接流过。
 ②对于交流,起到类似电阻的作用。
 ③频率越高越难通过。

下面是表示电感的频率和阻抗特性的示意图。

在理想电感器中,阻抗随着频率的提高而呈线性增加,但在实际的电感器中,如等效电路所示,并联存在寄生电容EPC,因而会产生自谐振现象。

所以,到谐振频率之前呈现电感本来的感性特性(阻抗随着频率升高而增加),但谐振频率之后寄生电容的影响占主导地位,呈现出容性特性(阻抗随着频率升高而减小)。也就是说,在比谐振频率高的频率范围,不发挥作为电感的作用。

电感的谐振频率可通过上述公式求得。除了主体是电容量还是电感量的区别外,该公式与电容的谐振频率公式基本相同。从公式中可以看出,电感值L变小时谐振频率会升高。

电感的寄生分量中,除了寄生电容EPC之外,还有电感绕组的电阻分量ESR(等效串联电阻)、与电容并联存在的EPR(等效并联电阻)。电阻分量会限制谐振点的阻抗。

关键要点:

・电感在谐振频率之前呈现感性特性(阻抗随频率升高而增加)。

・电感在谐振频率之后呈现容性特性(阻抗随频率升高而减小)。

・在比谐振频率高的频段,电感不发挥作为电感的作用。

・电感值L变小时,电感的谐振频率会升高。

・电感的谐振点阻抗受寄生电阻分量的限制。


使用电感和铁氧体磁珠降低噪声的对策

将介绍实际的噪声对策,并通过与铁氧体磁珠(电感大家族的成员,同样经常被用于降噪对策)的比较来展开话题。

使用电感的降噪对策

仅使用电容无法充分消除噪声时,可以考虑使用电感。降噪对策中使用的电感大致有两种。

 ①绕组型电感:构成滤波器
 ②铁氧体磁珠:将噪声转换为热

电感和铁氧体磁珠的阻抗特性

在进入使用电感和铁氧体磁珠降噪的对策介绍之前,先来了解一下它们的基本特性。虽然铁氧体磁珠被归类为电感,但其频率-阻抗特性与普通电感不同。

铁氧体磁珠与普通电感相比,具有电阻分量R较大、Q值较低的特性。利用该特性可消除噪声。

另外,直流电流特性也不同。

普通的电感可容许较大的直流叠加电流,只要在其范围内,阻抗不怎么受直流电流的影响,谐振点也几乎不变。相比之下,铁氧体磁珠对于直流电流容易饱和,饱和会导致电感值下降,谐振点向高频段转移。这会导致滤波器特性变化,因此需要特别注意。

下面开始介绍使用电感和铁氧体磁珠降低噪声的对策。

①绕组型电感:构成滤波器

下面是关于使用了电感的π型滤波器的介绍。在低频段,因电感和电容而发挥低通滤波器的作用。到了高频段,由于电感会变现为电容、电容会表现为电感,从而π型滤波器起到高通滤波器的作用,因此无法获得噪声消除效果。

②铁氧体磁珠:将噪声转换为热

铁氧体磁珠在低频段基本上也起到低通滤波器的作用。但是,如前所述,在这个频段对于直流电流容易饱和,使用这种电感值下降的铁氧体磁珠很难消除目标频段的噪声。

接下来请看右侧的曲线图。电抗降低并存在与电阻分量交叉的点。当超过这个被称为“交叉点”的频段后,铁氧体磁珠将起到电阻的作用,具有将噪声转换为热的功能。这是与内置绕组型电感的滤波器之间的巨大差异。而在更高频段,则与绕组型电感相同,发挥高通滤波器的作用。

使用了铁氧体磁珠的滤波器,不仅可将噪声旁路消除,还可将噪声转换为热,因此有望实现优异的噪声消除性能。但是,需要注意其直流偏置电流特性。

关键要点:

・用于降噪对策的电感,大致可以分为绕组型电感构成的滤波器和利用铁氧体磁珠进行热转换两种。

・铁氧体磁珠与普通电感相比,具有电阻分量R较大、Q值较低的特性。

・普通的电感可容许较大的直流叠加电流,只要在其范围内,阻抗不怎么受直流电流的影响。

・铁氧体磁珠对于直流电流容易饱和,饱和会导致电感值下降,谐振点向高频段转移。

・普通电感构成的滤波器,可选电感值的范围较宽。

・铁氧体磁珠的Q值较低,因此在较宽频率范围内具有有效的降噪效果。


使用共模滤波器降低噪声的对策

作为使用电感的降噪对策之一,本文将介绍使用共模滤波器降噪的内容。从严格意义上讲,共模滤波器并不是电感器,而是磁性器件,是降噪对策中的重要部件。
共模滤波器
共模滤波器的结构是两个绕组绕在一个磁芯上,相当于两个电感组合在一起(见下图)。当绕组中流过电流时,磁芯产生磁通,针对急剧的电流变化,起到使电流不易流通(扼流)的作用。这与电感的自感作用相同。

共模滤波器基本上起到共模电流不流通差模电流流通的作用。关键在于这2根导线沿同一方向绕在一个磁芯上。

如图所示,差模电流是在2根导线上往复流动,因此磁芯产生的磁通方向相反,磁通抵消,因此不能起到扼流作用,而是直接通过。

相比之下,共模电流的流向相同,因此磁通量增强,电流不易流过。也就是说,共模电流=共模噪声难以通过,被滤除。

使用共模滤波器降低噪声的对策

由于这里提到开关电源的噪声,因此在下面给出作为电源的输入滤波器使用的示例。

该图是在“开关电源的输入滤波器”中使用过的图,如图所示在电源的输入线插入共模滤波器。与用于信号线的共模滤波器相比,用于电源线的共模滤波器使用差模阻抗较大的分裂绕组结构的。这些产品一般作为电源线用共模滤波器推出,其差模噪声消减效果也值得期待。但是,由于几百k~几MHz左右的差模阻抗非常低,因此一般与π型滤波器等差模噪声用的滤波器并用。


注意点 : 串扰、GND线反弹噪声

这之前作为使用电感的降噪对策,介绍了电感和铁氧体磁珠、共模滤波器。本文将主要介绍PCB板布局相关的注意事项。

串扰

串扰是因电路板布线间的杂散电容和互感,噪声与相邻的其他电路板布线耦合。下面是LC滤波器的图形布局和部件配置带来的串扰及其对策示例。

在左侧的布局示例中,VCC线路中有LC滤波器,滤波器后的布线与含有滤波器前的噪声的布线相邻,因此噪声因串扰而耦合,滤波效果下降。右侧为对策示例,采用了不与含有噪声的线路相邻的布局,从而可将噪声耦合控制在最低限度内。

GND线反弹噪声

在该示例中可以看出,在使用了π型滤波器的电感前后所配置的电容,其GND的设置方法可能会带来地线反弹噪声。在左图示例中,如箭头所示,来自GND的噪声经由电容回流,并去到了滤波器外面。

在这种情况下,为了避免噪声直接传播,可利用Via的寄生电感的手法,经由过孔(Via)与GND平面连接,改善效果较好。

经常听到“在开关电源电路中,PCB板布局是非常重要的”,的确非常重要。这里面包含着布局诀窍。在Tech Web的“DC/DC转换器的PCB板布局”一文中,介绍了PCB板布局的基础,建议一并阅读。

关键要点:

・有些PCB板布线布局,会因串扰而导致滤波效果下降。

・π型滤波器的电容的GND的某些设置方法可能会带来地线反弹噪声。

・优化PCB板布线布局可避免这些问题。


小结

使用电感的降噪对策总结

1. 使用电感的降噪对策

  • ・仅用电容无法充分消除噪声时,可考虑使用电感。
  • ・降噪对策中使用的电感大致有两种。
     ①绕组型电感:组成滤波器
     ②铁氧体磁珠:将噪声转换为热。

2. 电感和铁氧体磁珠的阻抗特性

  • ・虽然铁氧体磁珠被归类为电感,但其频率-阻抗特性与普通电感不同。
  • ・铁氧体磁珠与普通电感相比,具有电阻分量R较大、Q值较低的特性,因此可利用该特性消除噪声。
  • ・普通的电感可容许较大的直流叠加电流,只要在其范围内,阻抗不怎么受直流电流的影响。
  • ・请注意,铁氧体磁珠对于直流电流容易饱和,饱和会导致电感值下降,谐振点向高频段转移,滤波特性产生变化。

3. 使用绕组型电感的降噪对策:组成滤波器

  • ・普通电感构成的滤波器,可选电感值的范围较宽。
  • ・使用电感的Π型滤波器,在低频段,因电感和电容而发挥低通滤波器的作用。
  • ・到了高频段,由于电感会表现为电容、电容会表现为电感,从而π型滤波器起到高通滤波器的作用,因此无法获得噪声消除效果。

4. 使用铁氧体磁珠的降噪对策:将噪声转换为热

  • ・铁氧体磁珠的Q值较低,因此在较宽频率范围内具有有效的降噪效果。
  • ・铁氧体磁珠在低频段基本上发挥低通滤波器的作用,在这个频段,对于直流电流容易饱和,因此使用这种电感值下降的铁氧体磁珠很难消除目标频段的噪声。
  • ・当电抗下降且越过与电阻分量的交叉点时,铁氧体磁珠发挥电阻的作用,可将噪声转换为热。
  • ・使用了铁氧体磁珠的滤波器,不仅可将噪声旁路消除,还可将噪声转换为热,因此有望实现优异的噪声消除性能。
  • ・发挥电阻功能且将噪声转换为热,是与使用绕组型电感的滤波器之间的巨大差异。
  • ・在更高频段,则与绕组型电感相同,发挥高通滤波器的作用。

5. 共模滤波器

  • ・从严格意义上讲,共模滤波器并不是电感器,但在降噪对策中它是重要的磁性器件。
  • ・共模滤波器的结构是两个绕组绕在一个磁芯上,相当于两个电感组合。
  • ・共模滤波器是利用自感作用来阻止共模电流通过(斩波),从而消除共模噪声。
  • ・共模电流不流通、差模电流流通。

6. 使用共模滤波器的降噪对策

  • ・作为开关电源的输入滤波器使用时,要使用差模阻抗较大的分裂绕组结构的共模滤波器。
  • ・这种滤波器一般作为电源线用共模滤波器销售。
  • ・虽然其差模噪声消除效果也值得期待,但是由于几百k~几MHz左右的差模阻抗非常低,因此一般与π型滤波器等差模噪声用的滤波器并用。

7. 串扰相关的注意事项

  • ・有些PCB板布线布局,会因串扰而导致滤波效果下降。
  • ・串扰是因电路板布线间的杂散电容和互感,噪声与相邻的其他电路板布线耦合。
  • ・滤波器后的布线与含有滤波器前的噪声的布线相邻时,噪声因串扰而耦合,滤波效果下降。
  • ・作为对策,采用不与含有噪声的线路相邻的布局,可将噪声耦合控制在最低限度内。

8. GND线反弹噪声相关的注意事项

  • ・在使用了Π型滤波器的电感前后所配置的电容,其GND的设置方法可能会带来地线反弹噪声。
  • ・作为对策,为了避免噪声直接传播,可利用Via的寄生电感的手法,经由过孔(Via)与GND平面连接,改善效果较好。

来源:techclass.rohm

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curton 2021-4-18 19:36

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