降低dc/dc開(kāi)關(guān)式轉(zhuǎn)換器的兩類(lèi)主要的地噪聲源減少措施

　　dc/dc開(kāi)關(guān)式電源轉(zhuǎn)換器的物理干擾眾人皆知，除非系統(tǒng)和電路圖都經(jīng)過(guò)了精心設(shè)計(jì)。這些轉(zhuǎn)換器會(huì)對(duì)電氣地注入多余的電荷，產(chǎn)生虛假的數(shù)字信號(hào)、翻轉(zhuǎn)的雙倍時(shí)鐘、電磁干擾、模擬電壓誤差，還可能是有害的高電壓。隨著這類(lèi)設(shè)計(jì)復(fù)雜性的增加以及應(yīng)用的密集使用，物理電路的實(shí)現(xiàn)已開(kāi)始在系統(tǒng)的電氣完整性中扮演一個(gè)重要的角色。為解決這些問(wèn)題，你需要了解如何減少兩類(lèi)主要的地噪聲源。

　　地噪聲問(wèn)題一

　　圖1是一個(gè)有恒定負(fù)載電流的理想降壓轉(zhuǎn)換器。開(kāi)關(guān)S1和S2作來(lái)回轉(zhuǎn)換，斬?cái)嘀祲弘姼泻徒祲?a href="http://www.ttokpm.com/tags/電容/" target="_blank">電容上的輸入電壓。電感電流或電容電壓都不能突然地改變，而負(fù)載電流是恒定的。所有開(kāi)關(guān)電壓與電流應(yīng)分別成功地跨過(guò)降壓電感，或通過(guò)降壓電容，因?yàn)橐粋€(gè)理想的降壓轉(zhuǎn)換器不會(huì)產(chǎn)生地噪聲。但有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者知道，降壓轉(zhuǎn)換器是一個(gè)臭名昭著的噪聲源。這意味著，圖1中的電路缺少了一些關(guān)鍵的物理元件。

　　圖1，在一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器電路中，電感器的電流不能瞬時(shí)改變，因此難以判斷一個(gè)理想降壓轉(zhuǎn)換器中的地彈跳來(lái)源。

　　無(wú)論何時(shí)，只要有電荷移動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。一根導(dǎo)線、一只電阻、一只晶體管、一個(gè)超導(dǎo)體，或一個(gè)電容極板間的電流都會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁通量是通過(guò)一個(gè)電流環(huán)路面積的磁感應(yīng)強(qiáng)度，它等于以直角切割環(huán)路面積的磁感應(yīng)強(qiáng)度與環(huán)路面積的乘積：φB=B×A，其中φB是磁通量，B是磁感應(yīng)強(qiáng)度，而A是電流環(huán)路面積。以某個(gè)距離環(huán)繞一根導(dǎo)線的磁感應(yīng)強(qiáng)度與導(dǎo)線中的電流成正比，B=μoI/2πr，其中r為距離。

　　電子元件都有長(zhǎng)度，電荷必須沿各個(gè)導(dǎo)線段，從一個(gè)器件移到另一個(gè)器件。移動(dòng)的電荷就產(chǎn)生了一個(gè)磁場(chǎng)，于是我們可以改進(jìn)圖1中的電路。圖2是一個(gè)簡(jiǎn)單降壓轉(zhuǎn)換器的更好模型。圖2中，導(dǎo)線仍保持理想狀態(tài)，不過(guò)電流在從一個(gè)電子元件移動(dòng)到另一個(gè)元件時(shí)，必須在每段中流過(guò)一個(gè)距離。當(dāng)這個(gè)電荷流動(dòng)時(shí)，通過(guò)S1和S2開(kāi)關(guān)的循環(huán)，磁場(chǎng)環(huán)繞著通電的導(dǎo)線，并有磁通通過(guò)。

　　圖2，變化的磁通會(huì)產(chǎn)生電壓（a）。當(dāng)一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換時(shí)，變化的電流回路路徑產(chǎn)生一個(gè)變化的磁通，并導(dǎo)致地彈跳（b）。

　　S1和S2電流回路面積的變化是開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器地噪聲的第一個(gè)主要來(lái)源。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中， 輸入電壓-S1-地這個(gè)回路中的磁通都會(huì)增加和衰減。這種變化的磁通會(huì)在該回路的各個(gè)地方感應(yīng)出電壓，包括理想的接地回路線。沒(méi)有任何銅箔（哪怕是一個(gè)超導(dǎo)體）能夠消除這種感應(yīng)電壓。唯一有用的方法是降低變化的磁通。

　　變化的磁通有三大要素：變化率、磁場(chǎng)強(qiáng)度和回路面積。由于時(shí)鐘頻率和最大輸出電流可能有設(shè)計(jì)上的要求，因此盡量減小回路面積就成為最佳方法。感應(yīng)系數(shù)與磁通量成正比。

　　圖3是圖2的一個(gè)電氣模型，其中寄生電感LP1中的電流變化產(chǎn)生了地噪聲，而寄生電感LP2中的恒定電流則沒(méi)有貢獻(xiàn)。雖然圖3以一種類(lèi)似的方式表述了問(wèn)題，但它是圖2中物理增強(qiáng)模型的一個(gè)不良替代品。圖3顯示了LP1和 LP2上的寄生感應(yīng)電壓，而這種結(jié)構(gòu)會(huì)在一個(gè)有磁通變化的回路各處都感應(yīng)出電壓。不過(guò)，這個(gè)電路部件仍能用于展示如何降低感應(yīng)的地噪聲。

　　圖3，LP1中變化的電流產(chǎn)生了地彈跳，而LP2中的恒定電流則沒(méi)有。

　　在圖3中，地回路電流流過(guò)LP1并發(fā)生變化，它造成了一種電壓彈跳問(wèn)題。仔細(xì)布放輸入電容可以減小寄生磁通面積，并讓變化的降壓電流走一個(gè)不包含在接地回路的路徑（圖4）。此時(shí)，寄生電感LP1和LP2中的電流是恒定的，因此地電壓穩(wěn)定不變。磁通面積的減小亦成比例地降低了EMI，以及所有其它有害的感應(yīng)回路電壓。

　　圖4，仔細(xì)地布放輸入電容，盡量減小變化回路的面積，并仔細(xì)地布放地回路的變化電流路徑，可以消除地彈跳。

　　開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器接地噪聲的第一個(gè)重要來(lái)源是磁通面積不斷變化的結(jié)果。良好的PCB設(shè)計(jì)通過(guò)走線的布放和仔細(xì)布置的旁路電容，能盡量減少變化的電流回路面積，以及接地回路路徑中變化的電流。

　　地噪聲問(wèn)題二