电源电路中电气噪声的产生和传播机制

大多数便携设备包含有电压调节器或其它类型的电源电路,许多非便携式设备中使用的小尺度光刻技术IC要求较低的供电电压,也必须由特定的电源电路来提供,而电压调节器和电源电路的选择对于电池寿命、EMI/EMC规范的兼容性、甚至产品的基本性能能否达到设计要求都有着重大影响。本文主要讨论电源电路中电气噪声的产生和传播机制。

  一、电压调节器

    最为普通的功率转换器就是电压调节器,主要包含:开关型、并联型和线性调节器。线性和并联型调节器的适用范围很有限,其输出电压必须保持低于输入电压。另外,大多数开关调节器的效率也优于对应的线性或并联型调节器。不过,线性/并联型调节器的低噪声和简单性使它们相对于开关调节器更有吸引力。

  最简单的电压调节器是并联型调节器,它通过调节流过电阻的电流,使输入电压下降到一个稳定的输出电平。齐纳二极管具有类似功能,但齐纳管中的功率消耗过大,且负载调整能力很差。有些并联调节器允许利用分压网络设定稳定电压,但通常是作为一个功能模块出现在更为复杂的调节器或电源中。一般来讲,并联调节器适合于负载电流变化不大的低功耗系统。然而,这种狭窄的应用范围可以通过增加一个有源调整元件(通常是一个双极晶体管)而得以扩展,此时的并联调节器就转变为线性调节器。

    线性调节器的输入电流接近于输出电流,它的效率(输出功率除以输入功率)接近于输出/输入电压比。因此,压差是一个非常重要的性能,因为更低的压差意味着更高的效率。低压差线性稳压器(LDO)可作为一道屏障来隔离开关调节器产生的噪声,在此用途中,LDO调节器的低压差特性有利于改善电路的总体效率。如果线性或并联型调节器的性能不能满足应用要求,那么设计者就必须转而考虑开关型调节器。开关调节器或电源所产生的噪声以传导或辐射的形式出现,传导型噪声表现为电压或电流形式,它们还可进一步分类为共模或差模传播方式。更为复杂的是,连接线上有限的阻抗会将电压/电流传播转换为电流/电压传播,另外差模/共模传播也会产生出共模/差模传播噪声。

    通过降低上述一种或多种传播类型的噪声可以使电路得到优化,传导型噪声对于固定安装系统的影响往往比对便携式系统更为严重。因为便携式设备依靠电池工作,它的负载和能源没有传播传导型噪声的外部连接。从一般意义上讲,各种开关调节器都是利用有源元件(晶体管和二极管)在储能元件(电感器和电容器)之间往复传送电流,最终实现源端电压/电流到负载端电压/电流的转换。为方便描述,考虑一个采用MAX1653 DC-DC转换控制器构成的典型同步整流、降压型转换器。

    降低传导型噪声的一种最直接的方法是:在输入端连接低阻抗旁路电容。另外一种方式较为灵巧,更节省成本和线路板空间,即:在电源和转换器之间增加电感器,确保必要的直流电流能够不受阻碍地通过,但应确保转换器在最高至环路的转折频率都有一个比较低的输入阻抗(大多数DC-DC开关转换器的环路转折点位于10kHz到100kHz间)。否则的话,输入电压的波动会导致输出电压不稳定。

    输出电容(COUT)上的纹波电流要比CIN上的低得多,不但幅度较低,并且(不同于输入电容)电流是连续的,因此也就具有比较少的谐波成分。通常,每匝线圈都被一层绝缘物质覆盖,这就在各匝线圈之间形成了一个小的电容。这些杂散电容串联叠加后形成一个和电感相并联的小等效电容,它提供了一条将冲击电流传导至COUT和负载的通路。这样,开关节点处(LX)电压波形的不连续跳变沿就会向COUT和负载传送高频电流,结果常常是在输出电压上形成毛刺,能量分布于20MHz至50MHz范围。

    这种类型转换器的负载常常是对于传导噪声敏感的微电子电路,不过幸运的是,转换器的传导噪声在输出端比起输入端来更容易控制。和输入端一样,输出传导噪声也可以利用低阻抗旁路或第二级滤波来加以控制。需要注意的是,第二级(后端)滤波器的使用应当谨慎。输出电压是控制环路中的一个控制变量,输出滤波器给环路增益附加了延时或相移(或两者),有可能使电路不稳定。如果一个高Q值LC后端滤波器被置于反馈点之后,电感器的电阻将会降低负载调整特性,并且瞬态负载电流会引起输出振荡。降压转换器中的上述问题同样存在于其它类型的开关转换器中。

  二、共模噪声

    按照定义,共模传导噪声在输入或输出端的两条连接线上相位相同。一般来讲,它仅对那些和大地有连接通路的固定系统造成影响。在一个带有共模滤波器的典型离线式电源中,共模噪声的主要产生源是MOSFET。MOSFET通常是电路中的主要耗能元件,很多情况下需要配散热器。

    TO-220器件的散热片连接于MOSFET漏极,而大多数情况下,散热器会向大地传导电流。由于MOSFET与散热器电气隔离,它和大地之间具有一定的分布电容。随着它的打开和关断,迅速变化的漏极电压会通过分布电容(CP1)向大地发送电流。由于交流电线和大地之间的低阻抗,这种共模电流会通过交流输入流入大地。变压器也会通过分布于隔离的初、次级绕组间的电容(CP2A,CP2B)传导高频电流。这样,噪声会同时传向输出端和输入端。图2中,共模传导噪声被安置在噪声源(电源)和输入或输出之间的共模滤波器抑制。共模扼流圈(CML1,CML2)通常是在单一磁芯上按图中所示极性绕制而成。负载电流和驱动电源的入线电流都是差模电流(电流由一条线流入另一条线流出)。在这种由单一磁芯绕制的共模扼流圈中,差模电流产生的磁场互相抵消,因此可以使用较小的磁芯,因为其中的储能很小。许多为离线式电源设计的共模扼流圈采用空间上分离的线圈绕成。这种结构增加了一定的差模电感,这有助于降低传导型差模噪声。由于磁芯同时穿过两组线圈,所以由差模电流和差模电感产生的磁场主要存在于空气中而非磁芯中,这会导致电磁辐射。产生于电源所带负载的共模噪声会经由变压器中的分布电容(CP2A,CP2B),穿过电源向交流电网传播。在变压器中增加法拉第屏蔽(初、次级之间的接地层)可以降低这种噪声。

  三、电场

    由于电场存在于两个具有不同电位的表面或实体之间,因此,只需要用一个接地的防护罩将设备屏蔽起来,就可以相对容易地将设备内部产生的电场噪声限制在屏蔽罩内部。这种屏蔽措施已被广泛用于监视器、示波器、开关电源以及其它具有大幅度电压摆动的设备。另外一种通行的做法是在线路板上设置接地层。电场强度正比于表面之间的电位差,并反比于它们之间的距离。举例来讲,电场可存在于源和附近的接地层之间。这样,利用多层线路板,在电路或连线与高电位之间设置一个接地层,就可以对电场起到屏蔽作用。不过,在采用接地层时还应注意到高压线路中的容性负载。电容器储能于电场中,这样,当靠近一个电容器设置接地层时就在导体和地之间形成一个电容。导体上的大dV/dt信号会产生大传导电流到地,这样,在控制辐射噪声的同时却增大了传导噪声。

  如果出现电场散射,来源最有可能位于系统中电位最高的地方。在电源和开关调节器中,应该注意开关晶体管和整流器,因为它们通常具有高电位,而且由于带有散热器,也具有比较大的表面积。表面安装器件同样存在这个问题,因为它们常常要求大面积线路板覆铜来帮助散热。这种情况下,还应注意大面积散热面和接地层或电源层之间的分布电容。

  四、磁场

    电场相对比较容易控制,但磁场就完全不同了。采用高磁导率的物质将电路封闭起来可以起到类似的屏蔽作用,但是这种方法实现起来非常困难而且昂贵。通常来讲,控制磁场散射最好的办法就是在源头将其减至最小。一般情况下,这就要求你选择那些磁辐射小的电感和变压器。同样重要的还有,在进行电路板布局和连接线配置时要注意最大限度减小电流回路的尺寸,尤其是那些载有大电流的回路。大电流回路不仅向外辐射磁场,它们还增加了导线的电感,这会在载有高频电流的线上引起电压尖刺。

  五、电感器

    没有电感或变压器设计经验的电路设计者倾向于选择商品化的变压器和电感。不过,了解一点磁性材料方面的知识将有助于设计者针对具体应用做出最适当的选择。降低电感散射的关键是选用高磁导率的材料,以便使磁场局限于磁芯中而不向周围空间散射。高磁导率介质不能储存很多能量,所以,为了缩小电感尺寸,常常采用带有气隙的高磁导率磁芯。

  六、布局

    元件的选择对于控制EMI至关重要,但电路板的布局和互连也具有同等重要的影响。尤其是对于高密度、采用多层电路板的开关电源,元件的布局和走线对于电路的正常工作具有重要的影响。功率的切换可以在连接线上产生很大dV/dt和di/dt的信号,它可以耦合到其它连线上造成兼容性问题。不过,只要在关键回路的布局方面多加注意,就可避免兼容性问题以及花费很大代价去对线路板进行修改。对于一个系统来讲,辐射型和传导型电磁干扰很容易区分,但具体到某快电路板或某段导线,问题就变得复杂了。相邻连线之间会有电场的耦合,同时也会通过分布电容传导电流。同样地,连线之间也会象变压器一样通过磁场发生耦合。这种相互作用可以利用集中元件进行描述,也可以采用电磁场理论进行分析。具体采用何种方法取决于系统的精确度要求。

    在进行布线时,应该保证接地层不向电路的敏感部分耦合噪声。例如,输入、输出旁路电容就经常通过接地层传输电流,高频电流对于敏感电路会产生不可忽视的影响。为避免这种问题,常常在电路板上采用独立的层面,分别用于电源和信号的接地。将不同层面在单点连接,那么,大功率接地层上的噪声就不会注入到其它层面上去。这种做法类似于所有元件在单点接地的星形地(所有线条以“星”形汇聚至接地点),效果等同于采用独立的功率和信号接地。  

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发布人:众宇旺仪器 发布时间:2009年6月24日 已被浏览 2427 次 〖 打印本文