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技術(shù)專題
線路板設(shè)計(jì)通過(guò)布局和濾波降低SMPS中的噪聲
開(kāi)關(guān)電源（SMPS）比線性穩(wěn)壓器更為復(fù)雜，但它們是有價(jià)值的線路板設(shè)計(jì)工具。它們提供了更高的效率，節(jié)省了能量并使電路保持較低的溫度。但是，在設(shè)計(jì)階段必須格外小心，以確保它們按預(yù)期運(yùn)行。
在為線路板設(shè)計(jì)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(shù)示例都適用于降壓（降壓）轉(zhuǎn)換器，但原理仍然適用于升壓（升壓）轉(zhuǎn)換器。
電壓紋波是指位于穩(wěn)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(dǎo)致數(shù)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(shè)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(duì)于大多數(shù)設(shè)備來(lái)說(shuō)，50mV至100mV可能是可接受的范圍，但有些設(shè)備更敏感。圖1顯示了來(lái)自i.MX 6ULZ嵌入式Linux處理器數(shù)據(jù)表的頁(yè)面。
圖1.恩智浦半導(dǎo)體IMX6ULZCEC
當(dāng)A7內(nèi)核以900MHz運(yùn)行時(shí)，VDD_ARM_CAP軌應(yīng)設(shè)置為1.275。但是，它將在1.3V（高25mV）或1.25V（低25mV）下工作。該干線上可接受的電壓紋波為25mV。務(wù)必始終檢查所有零件的數(shù)據(jù)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(dǎo)致功能線路板中出現(xiàn)問(wèn)題的有害電磁輻射。SMPS的高頻開(kāi)關(guān)使其表現(xiàn)得像輻射天線，發(fā)出電信號(hào)。這些輻射會(huì)干擾其他設(shè)備和無(wú)線通信。
SMPS電路的布局
正確的布局對(duì)于SMPS電路的最佳性能至關(guān)重要。快速開(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)路稱為“熱環(huán)路”。我們?cè)噲D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(zhuǎn)換器中的熱環(huán)路。
降壓轉(zhuǎn)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(shè)備端和輸出端蓋）盡可能靠近。它們應(yīng)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(nèi)部PCB接地層。
保持交換節(jié)點(diǎn)盡可能小也很重要。在降壓轉(zhuǎn)換器中，這是IC和電感器之間的走線，在此處電流以開(kāi)關(guān)頻率接通和關(guān)斷。該節(jié)點(diǎn)是EMI的主要來(lái)源。開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的行為就像輻射天線一樣，通過(guò)限制走線的物理尺寸，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)和周圍的接地層之間放熱。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(shè)備的接地墊上不包括散熱裝置可能是有利的。當(dāng)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(yīng)放置在盡可能靠近電路板電源輸入的位置，并且最好遠(yuǎn)離電路板上的其他信號(hào)。
盡管有些設(shè)計(jì)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(zhuǎn)換器，靠近敏感信號(hào)（例如高速數(shù)字或安靜的模擬信號(hào)）會(huì)導(dǎo)致外圍電路的性能問(wèn)題。電源的噪聲會(huì)與其他信號(hào)耦合，并破壞它們正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。
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(xiàn)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(duì)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(yīng)對(duì)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(diào)試和電路板啟動(dòng)期間，在SMPS輸出和負(fù)載之間使用鐵氧體磁珠（或什至0歐姆電阻）之類的串聯(lián)元件可能非常有幫助。如果電壓軌不穩(wěn)定（或根本不存在），可能很難判斷是調(diào)節(jié)器還是負(fù)載。卸下串聯(lián)元件將使調(diào)節(jié)器與負(fù)載分離。這提供了檢查虛負(fù)載（例如接地電阻）的電壓輸出的機(jī)會(huì)，以及利用外部電源為負(fù)載供電的機(jī)會(huì)。這些實(shí)驗(yàn)之一有望使罪魁禍?zhǔn)资钦l(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(shè)計(jì)人員通常致力于緩解噪聲的不同類型。電壓軌上的紋波對(duì)每個(gè)設(shè)備供電有不同的要求，其中一些比其他設(shè)備更敏感。