開關電源的噪聲是如何產生的

EMC-4---開關電源的噪聲來源

引言：在探討如何消除開關電源的噪聲之前，我們從源頭開始了解一下開關電源的噪聲是如何產生的，后續針對開關噪聲以及DC-DC是外置MOS還是集成MOS兩種類型確定靜噪策略。

1.DC-DC的電流路徑

首先，使用同步整流型降壓DC/DC轉換器的等效電路來了解一下開關電源電流的路徑：

圖4-1：Q1（高邊開關）ON 時的電流路徑

如圖4-1所示，Q1為高邊開關，Q2為低邊開關。Q1導通時，此時Q2為關斷狀態，電流Iin路徑是從輸入電容器Cin（上階段Cin已經充滿電）到Q1、再經由電感L到輸出電容器Cout和負載Rload。

圖4-2：Q2（低邊開關）ON 時的電流路徑

圖4-2在Q2導通時，此時Q1為關斷狀態，Q1導通階段Cout已經儲滿電量，Q1剛進入關斷時，電感L其反向電動勢維持輸出電流Iout，而后電感能量減弱，Cout就會開始參與放電維持Iout，注意看電容藍色電流虛線，電流路徑是L經由負載Rload到Q2。

圖4-3：圖4-1和圖 4-2的電流路徑差異

圖4-3綠框表示圖4-1和圖4-2這些電流路徑之間的差異，每當開關ON/OFF時，紅色線路的電流都會急劇變化。該環路的電流變化非常劇烈，所以會因PCB布線的電感分量而在環路內產生高頻振鈴，產生的電壓可通過下列公式來計算：

如果在電感分量為10nH的布線中1A電流在10ns內變化，則將產生1V電壓。

2.DC-DC的寄生分量

圖4-4：電源電路的實裝電路板的寄生分量

紅色部分標出的是圖4-4所表示的電流在急劇變化的環路中的寄生分量，布線中存在布線電感，通常每1mm有1nH左右的電感。另外，電容器中存在等效串聯電感ESL，MOSFET的各引腳間存在寄生電容，而開關MOS的上升/下降時間是幾ns。因此，如圖4-5波形圖所示，開關節點將產生100MHz～300MHz的振鈴。所產生的電流和電壓，可通過如下給出的兩個公式求得。

圖4-5：寄生分量和振鈴之間的關系

紅色波形是開關噪聲分量，青色波形是基波分量，在上升/下降時出現100MHz至300MHz的強烈振鈴。

圖4-6：開關電源電路產生的噪聲

這種振鈴會作為高頻開關噪聲帶來各種影響，如圖4-6，即使優化環路，殘留的開關噪聲成分也會作為共模噪聲傳導到電源端，必須采取措施，通過在傳輸線中插入電感器等高阻抗元件來限制噪聲，還必須注意串擾。雖然有采取相應的措施，但由于無法從電源IC處去除安裝電路板的寄生分量，因此只能通過PCB板布局設計及采用去藕電容來解決。

小結

1：在開關時會產生急劇電流ON/OFF的環路中，會因寄生分量產生高頻振鈴（＝開關噪聲）。

2：可通過優化PCB布線等做法來降低這種開關噪聲，但即使這樣，殘留的噪聲也會作為共模噪聲傳導至輸入電源，因此需要采取措施防止噪聲泄露。