【導讀】隨著電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地提升。時至今日，開關(guān)電源已經(jīng)以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用在幾乎所有的電子設(shè)備中，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展過程中不可或缺的一種電源方式。但是開關(guān)電源的EMC的問題一直是一個頭疼的事。
一、背景
隨著電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新，開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地提升。時至今日，開關(guān)電源已經(jīng)以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用在幾乎所有的電子設(shè)備中，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展過程中不可或缺的一種電源方式。但是開關(guān)電源的EMC的問題一直是一個頭疼的事。
二、開關(guān)電源噪聲產(chǎn)生的原因
那么開關(guān)電源噪聲產(chǎn)生的原因有哪些呢？
（1） 穩(wěn)壓電源芯片輸出的電壓不穩(wěn)定，會產(chǎn)生一定的紋波。
穩(wěn)壓電源芯片輸出不穩(wěn)定電壓有可能是穩(wěn)壓芯片的直流輸出端產(chǎn)生誤差、電源噪聲的峰值幅度造成開關(guān)頻率的上升沿或下降沿出現(xiàn)錯誤。而紋波的產(chǎn)生是在穩(wěn)壓電源芯片輸出的不穩(wěn)定造成電源噪聲余量不足，使得紋波的產(chǎn)生。
（2） 穩(wěn)壓電源無法實現(xiàn)對后端負載對于電流的需求的快速變化及時響應(yīng)。
穩(wěn)壓電源芯片通過感知其輸出電壓的變化，調(diào)整其輸出電流，從而把輸出電壓調(diào)整回額定輸出值。多數(shù)常用的穩(wěn)壓源調(diào)整電壓的時間在毫秒到微秒級別。因此，對于負載電流變化頻率在直流或幾百KHz之間時，穩(wěn)壓源可以很好的做出調(diào)整，保持輸出電壓的穩(wěn)定。當負載瞬態(tài)電流變化頻率超出這一范圍時，穩(wěn)壓源的電壓輸出會出現(xiàn)跌落，從而產(chǎn)生電源噪聲。
（3） 負載瞬態(tài)電流在電源路徑和地路阻抗上產(chǎn)生一定的壓降。
三、抑制開關(guān)電源噪聲的措施
（1） 對于第一種開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲，是芯片自身決定的，因此這種噪聲我們只能接受，但是選擇好一點的穩(wěn)壓電源芯片是必要的。這樣就可以減少部分噪聲，接受的噪聲必然不會太高。
（2） 對于第二種電源噪聲的產(chǎn)生可以在負載前并聯(lián)一個電容。
圖1 電容去耦電路
當負載電流不變時，其電流由穩(wěn)壓電源部分提供，即圖1的I0，方向如圖所示。此時電容兩端電壓與負載兩端電壓一致，電流Ic為0，電容兩端存儲相當數(shù)量的電荷，其電荷數(shù)量和電容量有關(guān)。當負載瞬態(tài)電流發(fā)生變化時，由于負載芯片內(nèi)部晶體管電平轉(zhuǎn)換速度極快，必須在極短的時間內(nèi)為負載芯片提供足夠的電流。但是穩(wěn)壓電源無法很快響應(yīng)負載電流的變化，因此，電流I0不會馬上滿足負載瞬態(tài)電流要求，因此負載芯片電壓會降低。但是由于電容電壓與負載電壓相同，因此電容兩端存在電壓變化。對于電容來說電壓變化必然產(chǎn)生電流，此時電容對負載放電，電流Ic不再為0，為負載芯片提供電流。根據(jù)電容等式：
只要電容量C足夠大，只需很小的電壓變化，電容就可以提供足夠大的電流，滿足負載瞬態(tài)電流的要求。這樣就保證了負載芯片電壓的變化在容許的范圍內(nèi)。這里，相當于電容預(yù)先存儲了一部分電能，在負載需要的時候釋放出來，即電容是儲能元件。儲能電容的存在使負載消耗的能量得到快速補充，因此保證了負載兩端電壓不至于有太大變化，此時電容擔負的是局部電源的角色。
可以從另一個層面去理解這個電容充當電源的角色。如圖2所示，從AB到電源這邊看，可以把電源和電容等效成一個電源如圖3所示的等效電路。
圖2 電源電路
圖3 等效電路
這樣設(shè)計目標是，不論AB兩點間負載瞬態(tài)電流如何變化，都要保持AB兩點間電壓變化范圍很小，根據(jù)公式：
這個要求等效于電源系統(tǒng)的阻抗Z要足夠低。在圖2中，我們是通過去耦電容來達到這一要求的，因此從等效的角度出發(fā)，可以說去耦電容降低了電源系統(tǒng)的阻抗。
（3） 對于第三種的開關(guān)電源的噪聲，PCB板上任何電氣路徑不可避免的會存在阻抗，不論是完整的電源平面還是電源引線。對于多層板，通常提供一個完整的電源平面和地平面，穩(wěn)壓電源輸出首先接入電源平面，供電電流流經(jīng)電源平面，到達負載電源引腳。地路徑和電源路徑類似，只不過電流路徑變成了地平面。因此一個好的完整的地平面是非常必要的。
四、總結(jié)
雖然開關(guān)電源的應(yīng)用非常廣泛，但是開關(guān)電源的EMI問題也是最主要的。本文主要分析了開關(guān)電源噪聲產(chǎn)生的三個原因，以及對應(yīng)的措施，后續(xù)還會繼續(xù)給大家?guī)砀嘤嘘P(guān)于電源噪聲的文章，歡迎大家持續(xù)關(guān)注。
（來源：韜略科技EMC）
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