線(xiàn)路板設計通過(guò)布局和濾波降低SMPS中的噪聲

2020-11-10

開(kāi)關(guān)電源（SMPS）比線(xiàn)性穩壓器更為復雜，但它們是有價(jià)值的線(xiàn)路板設計工具。它們提供了更高的效率，節省了能量并使電路保持較低的溫度。但是，在設計階段必須格外小心，以確保它們按預期運行。 

在為線(xiàn)路板設計SMPS時(shí)，將電路中的噪聲降至最低非常重要。具體來(lái)說(shuō)，我們要最小化電壓紋波和EMI。雖然列出的大多數示例都適用于降壓（降壓）轉換器，但原理仍然適用于升壓（升壓）轉換器。

電壓紋波是指位于穩壓直流輸出上方的小交流電壓。目的是使該電壓紋波的幅度最小化，以便為電路的其余部分提供盡可能干凈的直流電源。 

噪聲過(guò)多的電源可能會(huì )導致數字電路崩潰，或給模擬電路的輸出增加噪聲。電壓紋波還可能使設備靠近其最大工作電壓，從而縮短了器件的可靠性和壽命。 

多少波紋太多？

紋波閾值取決于電源供電。對于大多數設備來(lái)說(shuō)，50mV至100mV可能是可接受的范圍，但有些設備更敏感。圖1顯示了來(lái)自i.MX 6ULZ嵌入式Linux處理器數據表的頁(yè)面。 

圖1.恩智浦半導體IMX6ULZCEC 

當A7內核以900MHz運行時(shí)，VDD_ARM_CAP軌應設置為1.275。但是，它將在1.3V（高25mV）或1.25V（低25mV）下工作。該干線(xiàn)上可接受的電壓紋波為25mV。務(wù)必始終檢查所有零件的數據表，并確保在電源電壓和最大值之間留有足夠的裕量，這一點(diǎn)很重要。 

電磁干擾（EMI）是指可能導致功能線(xiàn)路板中出現問(wèn)題的有害電磁輻射。SMPS的高頻開(kāi)關(guān)使其表現得像輻射天線(xiàn)，發(fā)出電信號。這些輻射會(huì )干擾其他設備和無(wú)線(xiàn)通信。  

SMPS電路的布局

正確的布局對于SMPS電路的最佳性能至關(guān)重要?？焖匍_(kāi)關(guān)電流會(huì )產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，這可能會(huì )產(chǎn)生一些不利影響。SMPS中的開(kāi)關(guān)電流進(jìn)入的環(huán)路稱(chēng)為“熱環(huán)路”。我們試圖最小化該環(huán)路的大小，以限制開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生的EMI。

圖2.降壓轉換器中的熱環(huán)路。 

降壓轉換器電路的熱環(huán)路穿過(guò)電感器，輸出電容器，再經(jīng)過(guò)接地層回到器件接地和輸入電容器接地。使熱環(huán)路盡可能小的最簡(jiǎn)單方法是使三個(gè)接地端（輸入端蓋，設備端和輸出端蓋）盡可能靠近。它們應在與組件相同的層上與固體接地層相連，以使路徑盡可能短，并且劇烈的開(kāi)關(guān)電流會(huì )完全避開(kāi)內部PCB接地層。

保持交換節點(diǎn)盡可能小也很重要。在降壓轉換器中，這是IC和電感器之間的走線(xiàn)，在此處電流以開(kāi)關(guān)頻率接通和關(guān)斷。該節點(diǎn)是EMI的主要來(lái)源。開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的行為就像輻射天線(xiàn)一樣，通過(guò)限制走線(xiàn)的物理尺寸，可以限制產(chǎn)生的輻射。

許多制造商（以及將組件焊接到PCB的任何人）都會(huì )建議在組件焊盤(pán)和周?chē)慕拥貙又g放熱。這樣可使熱量積聚在SMD焊盤(pán)或通孔中，從而使焊料可以在那里熔化而無(wú)需加熱整個(gè)接地層。在輸入端蓋，輸出端蓋和設備的接地墊上不包括散熱裝置可能是有利的。當我們想要三個(gè)接地連接之間的路徑盡可能牢固時(shí)，散熱措施會(huì )阻礙電流路徑。

圖3.帶有散熱片的THT墊。 

SMPS在PCB上的位置也是一個(gè)重要的決定。SMPS電路應放置在盡可能靠近電路板電源輸入的位置，并且最好遠離電路板上的其他信號。 

盡管有些設計人員建議使用“電源地”并將SMPS與電路的其余部分完全分開(kāi)，但這通常會(huì )引起比解決方案更多的問(wèn)題，通常僅需使電源與其余組件保持一定距離即可。在板子中間任意放置一個(gè)降壓轉換器，靠近敏感信號（例如高速數字或安靜的模擬信號）會(huì )導致外圍電路的性能問(wèn)題。電源的噪聲會(huì )與其他信號耦合，并破壞它們正在傳輸的數據。

過(guò)濾輸出以最小化紋波

開(kāi)關(guān)電源在其輸出上總是會(huì )出現一些紋波，但是有簡(jiǎn)單的方法可以將紋波減小到最低。通過(guò)使用額外的電容和鐵氧體磁珠對輸出進(jìn)行濾波，可以消除電路中的大量高頻噪聲，同時(shí)使其更有能力應對突然的大電流需求。

該技巧有助于降低噪音，但也是進(jìn)行原型制作的好工具。在調試和電路板啟動(dòng)期間，在SMPS輸出和負載之間使用鐵氧體磁珠（或什至0歐姆電阻）之類(lèi)的串聯(lián)元件可能非常有幫助。如果電壓軌不穩定（或根本不存在），可能很難判斷是調節器還是負載。卸下串聯(lián)元件將使調節器與負載分離。這提供了檢查虛負載（例如接地電阻）的電壓輸出的機會(huì )，以及利用外部電源為負載供電的機會(huì )。這些實(shí)驗之一有望使罪魁禍首是誰(shuí)，以及需要采取什么措施來(lái)解決它。

SMPS噪聲和紋波綜述

本文介紹了SMPS電路中噪聲的概念，并闡明了設計人員通常致力于緩解噪聲的不同類(lèi)型。電壓軌上的紋波對每個(gè)設備供電有不同的要求，其中一些比其他設備更敏感。