讨论设计电源方案的降低开关电源噪声简单设计技术

出处:上海韬放电 发布于:2021-01-11 14:35:51

  首先,线路板设计带有开关模式电源(SMPS)的电路可能会令人生畏,尤其是在尝试降低噪声时。

  我们了解SMPS电路中噪声(波纹和EMI)的概念,以及电路的布局和可以减轻噪声的简单设计技术。我们将从更大的系统角度讨论噪声。在一块板上放置多个开关模式电源可能会带来新的挑战,我们将讨论设计电源方案的方式,以使这些电源不会相互干扰。

  SMPS并非旨在独立存在。它是大型系统的一部分。应仔细评估基于可用电压和所需电压的整体电源架构,以获取  有效,  成本效益和  实用的结果。

  另一种选择是通过降压转换器产生3.3V,然后级联LDO从3.3V产生1.8V,从1.8V产生1.2V。由此产生的电路在纹波和EMI方面可能更安静。尽管线性稳压器的效率远低于其开关模式表亲,但它们确实具有优势。它们通常更便宜,需要更少的电路板空间以及需要更少的无源组件来运行。

  线性稳压器还具有抑制输入上存在的噪声的能力。此度量标准称为电源抑制比(PSRR),它表示输入电压纹波和输出电压纹波之间的比率,以分贝为单位。通常,它们约为40-60dB,但有些可能会高达90dB或更高。一个非常敏感的网络(例如对于RAM或内核电压)具有更严格的电压纹波要求,并且通过LDO对其供电是一种将纹波降至  的方法。

  在一块电路板上放置多个SMPS时,同步其时钟可能会很有用。SMPS器件通常控制自己的内部MOSFET的开关,同时通常允许设计人员使用外部元件选择该开关频率。但是,某些降压/升压器件带有“SYNC”引脚—用于外部时钟信号的引脚。

  所有电源都应使用相同的开关频率,并且应考虑信号的相位。这意味着电源应全部同时开关(馈给相同的时钟信号,可能是由微控制器产生的),或者应该一个接一个地依次切换(由一个多相振荡器产生,例如LTC6902)。

图1.LTC6902生成的一个3相(信号之间的120°相移),1MHz时钟信号,每个3相具有33%的占空比

  选择开关频率是设计开关电源的  重要因素之一。该主题已被涵盖很多次,包括在文章“如何在所有电路上选择开关稳压器的频率”中。

  通常,较高的开关频率将导致较低的电压纹波。但是,每个电路的切换速度都有一个上限。这由  短的接通时间决定,这是设备可以使开关保持闭合状态的  短时间。

  Vout=ton(min)xVInxFS(max)xη

  根据数据表中的已知输入电压(VIn),所需输出电压(Vout),效率(η)和  导通时间(ton(min)),器件的  开关频率(FS(max)),可以计算出给定的设计。对于时钟将被同步的多个开关调节器,开关频率不得超过计算出的  FS(max)。

  虽然它可能与EMI或电压纹波没有直接关系,但SMPS在板上的位置会影响系统性能。  将开关模式电源放置在尽可能靠近电压输入的位置,并使电源远离敏感信号,例如高速数字信号(例如,以太网和USB)或模拟信号(例如,音频)或模拟传感器),可能会因开关噪声而损坏。

  一些设计人员建议使用“开关接地”(类似于模拟和数字接地的概念),但是分开的接地会给经验不足的设计人员带来麻烦。适当的设计,布局和在PCB上的位置都可以完成工作。

  降低SMPS噪声的其他方法

  对于在敏感环境中使用的电路(其中存在其他易受影响的设备或其他会产生EMI的设备),在PCB上包括EMI屏蔽会很有帮助。该屏蔽层就像放在敏感或EMI产生组件上的导电金属盒一样简单。这些防护罩可以直接购买,可以在其周围设计布局,也可以定制设计(大量或手工切割或折叠成一定尺寸的金属板制成)。

  图2.EMI屏蔽。

  在定制PCB上也可以部署许多现成的SMPS解决方案。这些模块可以节省电路板空间和设计复杂性,但需要付出较高的代价。


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