線(xiàn)路板设计降低开关電(diàn)源噪声

2020-11-09

首先，線(xiàn)路板设计带有(yǒu)开关模式電(diàn)源（SMPS）的電(diàn)路可(kě)能(néng)会令人生畏，尤其是在尝试降低噪声时。

我们了解SMPS電(diàn)路中噪声（波纹和EMI）的概念，以及電(diàn)路的布局和可(kě)以减轻噪声的简单设计技术。我们将从更大的系统角度讨论噪声。在一块板上放置多(duō)个开关模式電(diàn)源可(kě)能(néng)会带来新(xīn)的挑战，我们将讨论设计電(diàn)源方案的方式，以使这些電(diàn)源不会相互干扰。

SMPS并非旨在独立存在。它是大型系统的一部分(fēn)。应仔细评估基于可(kě)用(yòng)電(diàn)压和所需電(diàn)压的整體(tǐ)電(diàn)源架构，以获取最有(yǒu)效，最具成本效益和最实用(yòng)的结果。

例如，假设您有(yǒu)一个12V的電(diàn)源轨，并需要3.3V的I / O轨，一个1.8V的RAM轨和一个1.2V的处理(lǐ)器核心電(diàn)源轨。您可(kě)以选择从具有(yǒu)更大電(diàn)流能(néng)力的降压转换器中获得3.3V電(diàn)源轨，而不是使用(yòng)三个降压转换器来获得每个所需的输出，然后使用(yòng)線(xiàn)性稳压器将3.3V電(diàn)源轨作為(wèi)产生的1.2V和1.8V输入。 

另一种选择是通过降压转换器产生3.3V，然后级联LDO从3.3V产生1.8V，从1.8V产生1.2V。由此产生的電(diàn)路在纹波和EMI方面可(kě)能(néng)更安静。尽管線(xiàn)性稳压器的效率遠(yuǎn)低于其开关模式表亲，但它们确实具有(yǒu)优势。它们通常更便宜，需要更少的電(diàn)路板空间以及需要更少的无源组件来运行。 

線(xiàn)性稳压器还具有(yǒu)抑制输入上存在的噪声的能(néng)力。此度量标准称為(wèi)電(diàn)源抑制比（PSRR），它表示输入電(diàn)压纹波和输出電(diàn)压纹波之间的比率，以分(fēn)贝為(wèi)单位。通常，它们约為(wèi)40-60dB，但有(yǒu)些可(kě)能(néng)会高达90dB或更高。一个非常敏感的网络（例如对于RAM或内核電(diàn)压）具有(yǒu)更严格的電(diàn)压纹波要求，并且通过LDO对其供電(diàn)是一种将纹波降至最低的方法。

在一块電(diàn)路板上放置多(duō)个SMPS时，同步其时钟可(kě)能(néng)会很(hěn)有(yǒu)用(yòng)。SMPS器件通常控制自己的内部MOSFET的开关，同时通常允许设计人员使用(yòng)外部元件选择该开关频率。但是，某些降压/升压器件带有(yǒu)“ SYNC”引脚—用(yòng)于外部时钟信号的引脚。 

所有(yǒu)電(diàn)源都应使用(yòng)相同的开关频率，并且应考虑信号的相位。这意味着電(diàn)源应全部同时开关（馈给相同的时钟信号，可(kě)能(néng)是由微控制器产生的），或者应该一个接一个地依次切换（由一个多(duō)相振荡器产生，例如LTC6902）。 

图1. LTC6902生成的一个3相（信号之间的120°相移），1 MHz时钟信号，每个3相具有(yǒu)33％的占空比

选择开关频率是设计开关電(diàn)源的最重要因素之一。该主题已被涵盖很(hěn)多(duō)次，包括在文(wén)章“如何在所有(yǒu)電(diàn)路上选择开关稳压器的频率”中。

通常，较高的开关频率将导致较低的電(diàn)压纹波。但是，每个電(diàn)路的切换速度都有(yǒu)一个上限。这由最短的接通时间决定，这是设备可(kě)以使开关保持闭合状态的最短时间。 

V out = t on（min） x V In x F S（max） xη

根据数据表中的已知输入電(diàn)压（VI n），所需输出電(diàn)压（Vout），效率（η）和最小(xiǎo)导通时间（t on（min）），器件的最大开关频率（F S（max）），可(kě)以计算出给定的设计。对于时钟将被同步的多(duō)个开关调节器，开关频率不得超过计算出的最小(xiǎo)F S（max）。

虽然它可(kě)能(néng)与EMI或電(diàn)压纹波没有(yǒu)直接关系，但SMPS在板上的位置会影响系统性能(néng)。最好将开关模式電(diàn)源放置在尽可(kě)能(néng)靠近電(diàn)压输入的位置，并使電(diàn)源遠(yuǎn)离敏感信号，例如高速数字信号（例如，以太网和USB）或模拟信号（例如，音频）或模拟传感器），可(kě)能(néng)会因开关噪声而损坏。 

一些设计人员建议使用(yòng)“开关接地”（类似于模拟和数字接地的概念），但是分(fēn)开的接地会给经验不足的设计人员带来麻烦。适当的设计，布局和在PCB上的位置都可(kě)以完成工作。

降低SMPS噪声的其他(tā)方法

对于在敏感环境中使用(yòng)的電(diàn)路（其中存在其他(tā)易受影响的设备或其他(tā)会产生EMI的设备），在PCB上包括EMI屏蔽会很(hěn)有(yǒu)帮助。该屏蔽层就像放在敏感或EMI产生组件上的导電(diàn)金属盒一样简单。这些防护罩可(kě)以直接購(gòu)买，可(kě)以在其周围设计布局，也可(kě)以定制设计（大量或手工切割或折叠成一定尺寸的金属板制成）。

图2.  EMI屏蔽。

在定制PCB上也可(kě)以部署许多(duō)现成的SMPS解决方案。这些模块可(kě)以节省電(diàn)路板空间和设计复杂性，但需要付出较高的代价。