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四个步骤解决开关电源噪声

2021-4-9 12:17:15 显示全部楼层
本文将探讨实际的开关电源产生的噪声。

开关电源产生的噪声

首先,使用同步整流型降压DC/DC转换器的等效电路来了解一下开关电流的路径。
20171114_graf_05.gif
SW1为高边开关,SW2为低边开关。SW1导通(SW2为OFF)时,电流路径是从输入电容器到SW1、再经由电感L到输出电容器。SW2导通(SW1为OFF)时,电流路径是从SW2经由L再到输出电容器。下图表示这些电流路径的差分,每当开关ON/OFF时,红色线路的电流都会急剧变化。该环路的电流变化非常剧烈,所以会因PCB板布线电感而在环路内会产生高频振铃。
20171114_graf_06.gif
图中表示构成电源电路的外置部件、实装多层电路板的寄生分量及振铃的关系。
20171114_graf_07.gif
红色部分标出的是上图所表示的电流在急剧变化的环路中的寄生分量。布线中存在布线电感,通常每1mm有1nH左右的电感。另外,电容器中存在等效串联电感ESL,MOSFET的各引脚间存在寄生电容。因此,如红框内的图例所示,开关节点将产生100MHz~300MHz的振铃。所产生的电流及电压,可通过两个公式求得。

此振铃会作为高频开关噪声带来各种影响。虽然有采取相应的措施,但由于无法从电源IC处去除安装电路板的寄生分量,因此只能通过PCB板布局设计及采用去藕电容来解决。关于PCB板布局,在DC/DC转换器的“PCB板布局”部分有详细介绍,请参考。
20171114_graf_08.gif
关键要点:                        
・在开关时会产生急剧电流ON/OFF的环路中,会因寄生分量产生高频振铃=开关噪声。
・这种开关噪声可通过优化PCB板布线等来降低,但即使这样,残留的噪声也会作为共模噪声传导至输入电源,因此需要采取防止噪声漏出的措施。

噪声对策步骤

这里所说的“噪声对策”是指针对“开关电源”噪声的对策。不过基础部分和思路与一般噪声是相通的。新篇章的第1篇将介绍“噪声对策的步骤”。

噪声对策和产品开发阶段

在介绍噪声对策步骤之前,先来了解一下从产品的设计/开发到量产的过程中,应该在哪些阶段采取噪声对策。

右图是相对于设计/开发、评估、量产的时间轴,采取噪声对策的灵活性(即可以采取的对策的选项多少)以及对策所需成本的示意图。纵轴可以理解为越往上越“高”。由图可见,随着开发进程的推进,可使用的噪声对策技术和手段越来越有限,对策成本也越来越高。开始量产后发现噪声问题,想采取对策,但无奈产品已成型,束手无策,最终只能变更PCB板...等等,这样的事情谁也不希望发生。
EMC_6_graf_01.gif
大原则是,在产品开发的初期阶段,预先进行充分的探讨与评估,这样,即使发现噪声问题,也可以从容有效地采取噪声对策。另外还有一点非常重要,那就是掌握噪声的种类和性质,并针对不同的噪声采取不同的有效对策。如果盲目地采取对策,常常会发生不仅降噪效果差,甚至导致噪声反而恶化的情况。

噪声对策步骤

如前所述,盲目的对策只会增加损失。在确定对策之前,需要遵循以下几个步骤:

●步骤1:把握开关波形的频率成分
需要确认开关频率、上升/下降、过冲/下冲、振铃等与基波同时产生的不同现象的频率成分。这有助于根据希望解决的目标噪声的频率来确定不同的对策方法和相应部件,如果选择不当,效果则可能不理想。

●步骤2:把握噪声产生源与传导路径
确认所产生的开关噪声是从哪一路径传导到一次侧或二次侧的。噪声对策需要在噪声的传导路径实施。而且,必须对所有的传导路径采取对策。哪怕忽略了一处传导路径,对策也是不完全的。

●步骤3:强化GND
噪声对策的最后一步是增加降噪部件,但在此之前应该先探讨加强PCB(印刷电路板)的GND。优异的GND设计不仅可降低噪声,还是提升性能和稳定性的重要环节。通过强化GND,可降低环路的阻抗。另外,还可有效提升滤波器的效果。

●步骤4:增加滤波器等降噪部件
最后是根据噪声的种类和性质,探讨相应的噪声对策部件并在电路中添加相应部件,比如通过滤波器来滤除、通过旁路电容来旁路滤除、通过芯片磁珠等的电阻成分来吸收噪声等。滤波器、旁路电容的效果等如步骤3所述,会受GND好坏的影响,所以请务必先强化GND。

关键要点:

・随着开发进程的推进,可使用的噪声对策技术和手段越来越有限,对策成本也越来越高。
・在产品开发的初期阶段,预先进行充分探讨与评估,可以从容有效地采取噪声对策。
・掌握噪声的种类和性质,并针对不同的噪声采取不同的有效对策是非常重要的。
・噪声对策按照“把握频率成分→把握产生源和传导路径→强化GND→增加降噪部件”的步骤进行。

开关电源噪声对策

下面将对步骤4“增加滤波器等降噪部件”进行详细解说。
EMC-7_graf01.gif
要想降低差模噪声(蓝色),可在电路板上缩小大电流路径的环路面积,并增加最优解耦和输入滤波器。尽可能地抑制噪声的发生源–差模噪声是非常重要的,这也关系到降低共模噪声。

而降低共模噪声(红色)的方法有缩短布线,抑制串扰,还有切断共模路径(增加阻抗)。

后续将依次对图中红色字体所示的滤波器(输入滤波器及共模滤波器)和解耦进行解说。

关键要点:

・要想降低差模噪声,可在电路板上缩小大电流路径的环路面积,并增加最优解耦和输入滤波器。
・尽可能地抑制噪声的发生源--差模噪声是非常重要的,也关系到降低共模噪声。
・要想降低共模噪声,可缩短布线,抑制串扰,切断(滤波)共模路径。

开关电源的输入滤波器

开关电源的输入滤波器是针对共模噪声和差模噪声,分别采用适合不同噪声特性的滤波器。
EMC-8_graf_01.gif
差模滤波器

共模滤波器采用电容器、电感、铁氧体磁珠和电阻等。图例中是使用了LC的π型滤波器。各部件对噪声具有如下作用:
  • 电容器:将噪声电流旁路到GND。
  • 电感:反射噪声电流。
  • 铁氧体磁珠:将噪声电流的低频信号通过电感成分反射、高频信号通过电阻成分转换为热。
  • 电阻:将噪声电流转换为热。

共模滤波器

对于共模噪声的对策是使用共模滤波器(共模扼流圈)。共模滤波器大致可以分电源线路用和信号线路用两种。在开关电源的输入端一般使用电源线路用的共模滤波器。通过提高共模电流路径的阻抗来切断路径。

关键要点:

・开关电源的输入滤波器,需要针对共模噪声和差模噪声分别采用不同的处理。
・对共模噪声使用共模滤波器。
・对差模噪声使用由电容器、电感、磁珠、电阻等部件组成的滤波器。

来源:techclass.rohm
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curton

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