PCB設計降低電子設備和電路中電源噪聲的方法

2020-09-04

在當今幾乎所有使用的度量標準中，設計師都將噪聲視為對其設計最大的關(guān)注和危害之一。噪聲對電子電路（包括電源）的不利影響已得到充分記錄，因此值得您高枕無(wú)憂(yōu)。那么，為什么噪聲會(huì )困擾整個(gè)設計呢？最初引起關(guān)注的是噪聲本身的不可預測性。通常，噪聲可能來(lái)自外部源或內部源。甚至噪聲的來(lái)源也會(huì )帶來(lái)更多的問(wèn)題。

在外部噪聲源的情況下，從技術(shù)上講它是無(wú)法控制的源。這意味著(zhù)設計師將需要勤奮和有創(chuàng )造力，以抵消這些影響。對于內部源，雖然可能更易于控制，但結果仍然與外部源相同。這些不利影響包括對功能，性能，準確性甚至一致性的不利影響。在某些情況下，它可以防止設備在從原型階段到最終產(chǎn)品的任何地方都達到期望的設計目標，甚至無(wú)法完成故障。

減輕電源噪聲的重要性

盡管可能會(huì )產(chǎn)生大量噪聲，但是此參數的總體效果是不利的。此處的共識是在電路級別而不是在電源級別解決噪聲問(wèn)題。但是，這只能解決一半的問(wèn)題，并且很有可能忽略了減輕噪聲需求的更關(guān)鍵的方面。進(jìn)行此評估的原因是因為我們基于電源正常運行的能力來(lái)構建電路，甚至是系統的基礎。

此外，如果電源的輸出軌上存在噪聲，則整個(gè)系統的設計功能將受到阻礙。在大多數情況下，電源噪聲造成的問(wèn)題既不一致又斷斷續續。就像您想象的那樣，這會(huì )加劇故障排除，準確診斷和消除問(wèn)題的能力。

在電源級別解決噪聲至關(guān)重要的另一個(gè)原因是，實(shí)際上每個(gè)設備都包含一個(gè)電源。因此，無(wú)論您采用何種設計，它都極有可能會(huì )使用電源，因此容易受到噪聲問(wèn)題的影響。

電子設計中的EMI機制

噪聲或干擾是電子功能的禍根，而EMI（電磁干擾）在該列表中居首位。以下是產(chǎn)生EMI的主要機制：

導電耦合是由物理耦合路徑（例如電纜或電線(xiàn)）創(chuàng )建的直接接觸。這也可能通過(guò)走線(xiàn)或金屬外殼在PCB上發(fā)生。

輻射耦合是通過(guò)在空氣中或真空中輻射而產(chǎn)生的。請記住，PCB上的每條走線(xiàn)都是預期的天線(xiàn)，因此是可能的耦合路徑。

當兩個(gè)相鄰導體之間（例如，在電容器中）（即，兩個(gè)電位差除以分配空間的極板）之間出現可變電場(chǎng)時(shí)，就會(huì )發(fā)生電容耦合。

當兩個(gè)等效導體之間存在可變磁場(chǎng)時(shí)，就會(huì )發(fā)生感應耦合。發(fā)生的結果產(chǎn)生寄生感應電壓。

注意：通常，電容耦合主要在高壓應用中，而電感耦合則主要在大電流應用中。

如何降低電源噪聲

在簡(jiǎn)化視圖中，我們將電源噪聲定義為不希望的周期性紋波和尖峰與來(lái)自?xún)炔炕蛲獠吭吹碾S機噪聲合并而成的組合。此外，線(xiàn)路調節的設計將控制輸入參考紋波的數量。該概念可與電源抑制比（PSSR）相提并論，后者是線(xiàn)性穩壓器允許傳遞到輸出的輸入信號量?？偟膩?lái)說(shuō)，它不僅是控制芯片的功能，而是電路整體的功能。

通常，有三種解決電源噪聲和減輕紋波的方法。

篩選

我們可以利用濾波器來(lái)消除電源中的噪聲，類(lèi)似于濾波器可以消除信號中的噪聲。您還可以將輸出電容器視為濾波過(guò)程的一部分，因為它們的反應與電源電路的輸出阻抗相反?？偠灾?，輸出電容的增加可降低噪聲。

注意：請記住，電容器同時(shí)具有ESR（等效串聯(lián)電阻）和ESL（等效串聯(lián)電感）。使用具有較低ESR和ESL的電容器將導致較低的噪聲。但請記住，某些電源會(huì )利用ESR來(lái)提供誤差信號以進(jìn)行反饋。因此，如果將其大幅降低（即通過(guò)將電解電容器與陶瓷電容器交換），則會(huì )導致電源不穩定。

通過(guò)傳遞

繞過(guò)電源設計中的控制芯片將有助于降低噪聲。盡管避開(kāi)由電源供電的芯片將不會(huì )導致電源噪聲的減少。但是，它將減少芯片的電源引腳。

注意：如果繞過(guò)電源電路中的芯片，請通過(guò)將電容器放置在電源引腳附近并使用陶瓷電容器來(lái)利用標準準則。如果可能，請使用表面貼裝電容器，因為它們的ESL和ESR較低。請記住，實(shí)際大小很重要，它與價(jià)值一起將決定有效性。

后監管

在電源輸出上增加第二個(gè)低噪聲調節器將減輕噪聲。這種方法的成本效益較差，這可能會(huì )阻礙其使用。在大多數情況下，此方法的實(shí)現會(huì )結合使用低壓差（LDO）線(xiàn)性穩壓器?？傊?，它可以將任何輸出紋波減小至少一個(gè)數量級或更多。將LC或RC濾波器與LDO結合使用可進(jìn)一步降低噪聲。

電源噪聲是電子領(lǐng)域所有設計人員不可否認的關(guān)注點(diǎn)。它影響設計各個(gè)方面的能力使得減輕它的需求對于整個(gè)設計的成功至關(guān)重要。外部噪聲源的不可預測性以及內部威脅使降低噪聲成為每個(gè)設計師或工程師的首要目標。

電腦電源。

減少電源中的噪聲并成功進(jìn)行電路設計，取決于擁有正確的PCB設計工具集。無(wú)論您是使用單面板還是多層設計，都需要正確的PCB布局和設計軟件集