線(xiàn)路板设计通过布局和滤波降低SMPS中的噪声

2020-11-10

开关電(diàn)源（SMPS）比線(xiàn)性稳压器更為(wèi)复杂，但它们是有(yǒu)价值的線(xiàn)路板设计工具。它们提供了更高的效率，节省了能(néng)量并使電(diàn)路保持较低的温度。但是，在设计阶段必须格外小(xiǎo)心，以确保它们按预期运行。 

在為(wèi)線(xiàn)路板设计SMPS时，将電(diàn)路中的噪声降至最低非常重要。具體(tǐ)来说，我们要最小(xiǎo)化電(diàn)压纹波和EMI。虽然列出的大多(duō)数示例都适用(yòng)于降压（降压）转换器，但原理(lǐ)仍然适用(yòng)于升压（升压）转换器。

電(diàn)压纹波是指位于稳压直流输出上方的小(xiǎo)交流電(diàn)压。目的是使该電(diàn)压纹波的幅度最小(xiǎo)化，以便為(wèi)電(diàn)路的其余部分(fēn)提供尽可(kě)能(néng)干净的直流電(diàn)源。 

噪声过多(duō)的電(diàn)源可(kě)能(néng)会导致数字電(diàn)路崩溃，或给模拟電(diàn)路的输出增加噪声。電(diàn)压纹波还可(kě)能(néng)使设备靠近其最大工作電(diàn)压，从而缩短了器件的可(kě)靠性和寿命。 

多(duō)少波纹太多(duō)？

纹波阈值取决于電(diàn)源供電(diàn)。对于大多(duō)数设备来说，50mV至100mV可(kě)能(néng)是可(kě)接受的范围，但有(yǒu)些设备更敏感。图1显示了来自i.MX 6ULZ嵌入式Linux处理(lǐ)器数据表的页面。 

图1.恩智浦半导體(tǐ)IMX6ULZCEC 

当A7内核以900MHz运行时，VDD_ARM_CAP轨应设置為(wèi)1.275。但是，它将在1.3V（高25mV）或1.25V（低25mV）下工作。该干線(xiàn)上可(kě)接受的電(diàn)压纹波為(wèi)25mV。務(wù)必始终检查所有(yǒu)零件的数据表，并确保在電(diàn)源電(diàn)压和最大值之间留有(yǒu)足够的裕量，这一点很(hěn)重要。 

電(diàn)磁干扰（EMI）是指可(kě)能(néng)导致功能(néng)線(xiàn)路板中出现问题的有(yǒu)害電(diàn)磁辐射。SMPS的高频开关使其表现得像辐射天線(xiàn)，发出電(diàn)信号。这些辐射会干扰其他(tā)设备和无線(xiàn)通信。  

SMPS電(diàn)路的布局

正确的布局对于SMPS電(diàn)路的最佳性能(néng)至关重要。快速开关電(diàn)流会产生交变磁场，这可(kě)能(néng)会产生一些不利影响。SMPS中的开关電(diàn)流进入的环路称為(wèi)“热环路”。我们试图最小(xiǎo)化该环路的大小(xiǎo)，以限制开关電(diàn)流产生的EMI。

图2.降压转换器中的热环路。 

降压转换器電(diàn)路的热环路穿过電(diàn)感器，输出電(diàn)容器，再经过接地层回到器件接地和输入電(diàn)容器接地。使热环路尽可(kě)能(néng)小(xiǎo)的最简单方法是使三个接地端（输入端盖，设备端和输出端盖）尽可(kě)能(néng)靠近。它们应在与组件相同的层上与固體(tǐ)接地层相连，以使路径尽可(kě)能(néng)短，并且剧烈的开关電(diàn)流会完全避开内部PCB接地层。

保持交换节点尽可(kě)能(néng)小(xiǎo)也很(hěn)重要。在降压转换器中，这是IC和電(diàn)感器之间的走線(xiàn)，在此处電(diàn)流以开关频率接通和关断。该节点是EMI的主要来源。开关节点的行為(wèi)就像辐射天線(xiàn)一样，通过限制走線(xiàn)的物(wù)理(lǐ)尺寸，可(kě)以限制产生的辐射。

许多(duō)制造商(shāng)（以及将组件焊接到PCB的任何人）都会建议在组件焊盘和周围的接地层之间放热。这样可(kě)使热量积聚在SMD焊盘或通孔中，从而使焊料可(kě)以在那里熔化而无需加热整个接地层。在输入端盖，输出端盖和设备的接地垫上不包括散热装置可(kě)能(néng)是有(yǒu)利的。当我们想要三个接地连接之间的路径尽可(kě)能(néng)牢固时，散热措施会阻碍電(diàn)流路径。

图3.带有(yǒu)散热片的THT垫。 

SMPS在PCB上的位置也是一个重要的决定。SMPS電(diàn)路应放置在尽可(kě)能(néng)靠近電(diàn)路板電(diàn)源输入的位置，并且最好遠(yuǎn)离電(diàn)路板上的其他(tā)信号。 

尽管有(yǒu)些设计人员建议使用(yòng)“電(diàn)源地”并将SMPS与電(diàn)路的其余部分(fēn)完全分(fēn)开，但这通常会引起比解决方案更多(duō)的问题，通常仅需使電(diàn)源与其余组件保持一定距离即可(kě)。在板子中间任意放置一个降压转换器，靠近敏感信号（例如高速数字或安静的模拟信号）会导致外围電(diàn)路的性能(néng)问题。電(diàn)源的噪声会与其他(tā)信号耦合，并破坏它们正在传输的数据。

过滤输出以最小(xiǎo)化纹波

开关電(diàn)源在其输出上总是会出现一些纹波，但是有(yǒu)简单的方法可(kě)以将纹波减小(xiǎo)到最低。通过使用(yòng)额外的電(diàn)容和铁氧體(tǐ)磁珠对输出进行滤波，可(kě)以消除電(diàn)路中的大量高频噪声，同时使其更有(yǒu)能(néng)力应对突然的大電(diàn)流需求。

该技巧有(yǒu)助于降低噪音，但也是进行原型制作的好工具。在调试和電(diàn)路板启动期间，在SMPS输出和负载之间使用(yòng)铁氧體(tǐ)磁珠（或什至0欧姆電(diàn)阻）之类的串联元件可(kě)能(néng)非常有(yǒu)帮助。如果電(diàn)压轨不稳定（或根本不存在），可(kě)能(néng)很(hěn)难判断是调节器还是负载。卸下串联元件将使调节器与负载分(fēn)离。这提供了检查虚负载（例如接地電(diàn)阻）的電(diàn)压输出的机会，以及利用(yòng)外部電(diàn)源為(wèi)负载供電(diàn)的机会。这些实验之一有(yǒu)望使罪魁祸首是谁，以及需要采取什么措施来解决它。

SMPS噪声和纹波综述

本文(wén)介绍了SMPS電(diàn)路中噪声的概念，并阐明了设计人员通常致力于缓解噪声的不同类型。電(diàn)压轨上的纹波对每个设备供電(diàn)有(yǒu)不同的要求，其中一些比其他(tā)设备更敏感。