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技術專題
線路板設計降低開關電源噪聲
首先，線路板設計帶有開關模式電源（SMPS）的電路可能會令人生畏，尤其是在嘗試降低噪聲時。
我們了解SMPS電路中噪聲（波紋和EMI）的概念，以及電路的布局和可以減輕噪聲的簡單設計技術。我們將從更大的系統角度討論噪聲。在一塊板上放置多個開關模式電源可能會帶來新的挑戰，我們將討論設計電源方案的方式，以使這些電源不會相互干擾。
SMPS并非旨在獨立存在。它是大型系統的一部分。應仔細評估基于可用電壓和所需電壓的整體電源架構，以獲取最有效，最具成本效益和最實用的結果。
例如，假設您有一個12V的電源軌，并需要3.3V的I / O軌，一個1.8V的RAM軌和一個1.2V的處理器核心電源軌。您可以選擇從具有更大電流能力的降壓轉換器中獲得3.3V電源軌，而不是使用三個降壓轉換器來獲得每個所需的輸出，然后使用線性穩壓器將3.3V電源軌作為產生的1.2V和1.8V輸入。
另一種選擇是通過降壓轉換器產生3.3V，然后級聯LDO從3.3V產生1.8V，從1.8V產生1.2V。由此產生的電路在紋波和EMI方面可能更安靜。盡管線性穩壓器的效率遠低于其開關模式表親，但它們確實具有優勢。它們通常更便宜，需要更少的電路板空間以及需要更少的無源組件來運行。
線性穩壓器還具有抑制輸入上存在的噪聲的能力。此度量標準稱為電源抑制比（PSRR），它表示輸入電壓紋波和輸出電壓紋波之間的比率，以分貝為單位。通常，它們約為40-60dB，但有些可能會高達90dB或更高。一個非常敏感的網絡（例如對于RAM或內核電壓）具有更嚴格的電壓紋波要求，并且通過LDO對其供電是一種將紋波降至最低的方法。
在一塊電路板上放置多個SMPS時，同步其時鐘可能會很有用。SMPS器件通常控制自己的內部MOSFET的開關，同時通常允許設計人員使用外部元件選擇該開關頻率。但是，某些降壓/升壓器件帶有“ SYNC”引腳—用于外部時鐘信號的引腳。
所有電源都應使用相同的開關頻率，并且應考慮信號的相位。這意味著電源應全部同時開關（饋給相同的時鐘信號，可能是由微控制器產生的），或者應該一個接一個地依次切換（由一個多相振蕩器產生，例如LTC6902）。
圖1. LTC6902生成的一個3相（信號之間的120°相移），1 MHz時鐘信號，每個3相具有33％的占空比
選擇開關頻率是設計開關電源的最重要因素之一。該主題已被涵蓋很多次，包括在文章“如何在所有電路上選擇開關穩壓器的頻率”中。
通常，較高的開關頻率將導致較低的電壓紋波。但是，每個電路的切換速度都有一個上限。這由最短的接通時間決定，這是設備可以使開關保持閉合狀態的最短時間。
V out = t on（min） x V In x F S（max） xη
根據數據表中的已知輸入電壓（VI n），所需輸出電壓（Vout），效率（η）和最小導通時間（t on（min）），器件的最大開關頻率（F S（max）），可以計算出給定的設計。對于時鐘將被同步的多個開關調節器，開關頻率不得超過計算出的最小F S（max）。
雖然它可能與EMI或電壓紋波沒有直接關系，但SMPS在板上的位置會影響系統性能。最好將開關模式電源放置在盡可能靠近電壓輸入的位置，并使電源遠離敏感信號，例如高速數字信號（例如，以太網和USB）或模擬信號（例如，音頻）或模擬傳感器），可能會因開關噪聲而損壞。
一些設計人員建議使用“開關接地”（類似于模擬和數字接地的概念），但是分開的接地會給經驗不足的設計人員帶來麻煩。適當的設計，布局和在PCB上的位置都可以完成工作。
降低SMPS噪聲的其他方法
對于在敏感環境中使用的電路（其中存在其他易受影響的設備或其他會產生EMI的設備），在PCB上包括EMI屏蔽會很有幫助。該屏蔽層就像放在敏感或EMI產生組件上的導電金屬盒一樣簡單。這些防護罩可以直接購買，可以在其周圍設計布局，也可以定制設計（大量或手工切割或折疊成一定尺寸的金屬板制成）。
圖2. EMI屏蔽。
在定制PCB上也可以部署許多現成的SMPS解決方案。這些模塊可以節省電路板空間和設計復雜性，但需要付出較高的代價。