通过阻抗平衡降低電(diàn)源中的 CM 噪声

2021-06-11

通过阻抗平衡降低電(diàn)源中的 CM 噪声

在紧凑空间中运行的简单开关稳压器電(diàn)路（例如在小(xiǎo)型 PCB 上）通常可(kě)以部署在嘈杂的环境中，而不会在输出功率電(diàn)平上叠加明显的噪声。只要您正确布置電(diàn)路板，您可(kě)能(néng)只需要一个简单的滤波器電(diàn)路来消除输入和输出上的 EMI。随着稳压器在物(wù)理(lǐ)上和電(diàn)气上变得更大，噪声问题会变得更加明显，即 PCB 布局中的辐射 EMI 和传导 EMI。

共模传导電(diàn)流是具有(yǒu)多(duō)个接地的 DC-DC 转换器中的一个典型问题，它是由電(diàn)容耦合引起的。标准方法是对输出使用(yòng)滤波，例如使用(yòng)共模扼流圈，以处理(lǐ)到达输出节点的传导共节点噪声。但是，这并不能(néng)抑制共模電(diàn)流环路中存在的辐射 EMI，因此您只能(néng)选择屏蔽。如果您可(kě)以在不需要屏蔽的情况下抑制这两种类型的噪声会怎样？

在这些类型的开关转换器中，您可(kě)以使用(yòng)阻抗平衡方法来抑制電(diàn)源输出节点处的共模噪声。这遵循一个简单的想法，其中系统接地用(yòng)作定义電(diàn)源输出节点阻抗的全局参考。让我们看看它是如何工作的，以及您应该在设计中通过仿真研究什么。

什么是阻抗平衡？

阻抗平衡使用(yòng) 3 导體(tǐ)配置（2 个信号，1 个 GND）通过放大器收集差分(fēn)電(diàn)压测量值。该技术用(yòng)于 XLR 音频電(diàn)缆，以确保差分(fēn)接收器可(kě)以完全消除可(kě)能(néng)通过電(diàn)缆传导的共模噪声。尽管这是在传感器而不是音频或電(diàn)源的背景下完成的。

中心思想是将两条信号線(xiàn)的阻抗设置為(wèi)相等，这将确保電(diàn)缆的每个单端侧在接收器处看到相同的输入阻抗，并在差分(fēn)接收器处确保共模噪声抑制。

阻抗平衡不需要 V1 = -V2。

仔细想想，这个系统中信号線(xiàn)和地的排列与PCB上的差分(fēn)对没有(yǒu)什么不同。在差分(fēn)对中，每条走線(xiàn)的单端阻抗都定义為(wèi)相对于差分(fēn)对的参考平面（在本例中為(wèi)接地平面）。阻抗平衡和差分(fēn)信号之间的唯一區(qū)别是，在阻抗平衡互连中，我们不需要為(wèi) V1 和 V2 提供相等和相反的信号；它们理(lǐ)论上可(kě)以是任何值。然后接收器测量每对相对于参考平面的電(diàn)压。

开关转换器中的阻抗平衡

开关转换器中的共模噪声是由于電(diàn)容耦合回最近的参考平面而产生的，该参考平面通常是机箱 GND，或者它可(kě)能(néng)是另一个大导體(tǐ)，它是系统 GND 或外壳屏蔽的一部分(fēn)。在提供高電(diàn)流的物(wù)理(lǐ)大電(diàn)源布局中，这可(kě)能(néng)是非常有(yǒu)问题的。寄生電(diàn)容 Cp（见下文(wén)）可(kě)能(néng)非常大，在开关转换器電(diàn)路中的高 dI/dt 开关事件期间提供非常低的阻抗。

从電(diàn)源输出节点返回输入节点的共模電(diàn)流路径。

从这里，我们可(kě)以看到紫色箭头描绘了一个大電(diàn)流回路。即使我们使用(yòng)共模扼流圈去除负载处的传导電(diàn)流，共模電(diàn)流回路也会产生强烈的辐射。这也可(kě)能(néng)发生在使用(yòng)带有(yǒu)变压器的電(diàn)流隔离的开关转换器拓扑中，例如LLC 谐振转换器。

以下升压转换器電(diàn)路中的一种解决方案是在電(diàn)感器周围放置電(diàn)容器回到底盘接地，但在 POS_OUT 和 NEG_OUT 端子之前。在这里，负電(diàn)源轨在源 V1 处连接回系统接地，这可(kě)以促进负電(diàn)源轨和系统其余部分(fēn)之间的共模噪声路径。電(diàn)容器 C1/C2 和電(diàn)感器 L2 的添加為(wèi)共模噪声流入 MOSFET 的路径创建了一个桥接電(diàn)路：

通过有(yǒu)意使用(yòng)電(diàn)容器将高轨和低轨回接地，您将在模拟桥式電(diàn)路的布局中设置两个反向传播的電(diàn)流。当以下阻抗条件成立时，产生的共模噪声将被消除：

创建 PCB 布局后，应确保在 MOSFET 的高侧和低侧实现对称布線(xiàn)。这很(hěn)重要，因為(wèi)它会建立反向传播的電(diàn)流回路，从而产生反平行磁场。路由的任何不属于共模噪声消除的部分(fēn)都将具有(yǒu)差模辐射发射，其明显弱于共模電(diàn)流的发射。

用(yòng)寄生参数模拟阻抗平衡

在上面的電(diàn)路中，重要的是要记住所有(yǒu)组件都有(yǒu)一些寄生和自谐振，这意味着上面的阻抗关系仅适用(yòng)于特定频率。如果您使用(yòng)具有(yǒu)更高自谐振频率的组件，您可(kě)以消除高达更高频率的共模噪声。请務(wù)必模拟此滤波器電(diàn)路的传递函数，以查看此系统中噪声抑制的限制。