开关电源的噪声是如何产生的

EMC-4---开关电源的噪声来源

引言：在探讨如何消除开关电源的噪声之前，我们从源头开始了解一下开关电源的噪声是如何产生的，后续针对开关噪声以及DC-DC是外置MOS还是集成MOS两种类型确定静噪策略。

1.DC-DC的电流路径

首先，使用同步整流型降压DC/DC转换器的等效电路来了解一下开关电源电流的路径：

图4-1：Q1（高边开关）ON 时的电流路径

如图4-1所示，Q1为高边开关，Q2为低边开关。Q1导通时，此时Q2为关断状态，电流Iin路径是从输入电容器Cin（上阶段Cin已经充满电）到Q1、再经由电感L到输出电容器Cout和负载Rload。

图4-2：Q2（低边开关）ON 时的电流路径

图4-2在Q2导通时，此时Q1为关断状态，Q1导通阶段Cout已经储满电量，Q1刚进入关断时，电感L其反向电动势维持输出电流Iout，而后电感能量减弱，Cout就会开始参与放电维持Iout，注意看电容蓝色电流虚线，电流路径是L经由负载Rload到Q2。

图4-3：图4-1和图 4-2的电流路径差异

图4-3绿框表示图4-1和图4-2这些电流路径之间的差异，每当开关ON/OFF时，红色线路的电流都会急剧变化。该环路的电流变化非常剧烈，所以会因PCB布线的电感分量而在环路内产生高频振铃，产生的电压可通过下列公式来计算：

如果在电感分量为10nH的布线中1A电流在10ns内变化，则将产生1V电压。

2.DC-DC的寄生分量

图4-4：电源电路的实装电路板的寄生分量

红色部分标出的是图4-4所表示的电流在急剧变化的环路中的寄生分量，布线中存在布线电感，通常每1mm有1nH左右的电感。另外，电容器中存在等效串联电感ESL，MOSFET的各引脚间存在寄生电容，而开关MOS的上升/下降时间是几ns。因此，如图4-5波形图所示，开关节点将产生100MHz～300MHz的振铃。所产生的电流和电压，可通过如下给出的两个公式求得。

图4-5：寄生分量和振铃之间的关系

红色波形是开关噪声分量，青色波形是基波分量，在上升/下降时出现100MHz至300MHz的强烈振铃。

图4-6：开关电源电路产生的噪声

这种振铃会作为高频开关噪声带来各种影响，如图4-6，即使优化环路，残留的开关噪声成分也会作为共模噪声传导到电源端，必须采取措施，通过在传输线中插入电感器等高阻抗元件来限制噪声，还必须注意串扰。虽然有采取相应的措施，但由于无法从电源IC处去除安装电路板的寄生分量，因此只能通过PCB板布局设计及采用去藕电容来解决。

小结

1：在开关时会产生急剧电流ON/OFF的环路中，会因寄生分量产生高频振铃（＝开关噪声）。

2：可通过优化PCB布线等做法来降低这种开关噪声，但即使这样，残留的噪声也会作为共模噪声传导至输入电源，因此需要采取措施防止噪声泄露。