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      電源電路中電氣噪聲的產生和傳播機制

      來源: 2009-12-27 訪問:
      大多數便攜設備包含有電壓調節器或其它類型的電源電路,許多非便攜式設備中使用的小尺度光刻技術ic要求較低的供電電壓,也必須由特定的電源電路來提供,而電壓調節器和電源電路的選擇對于電池壽命、emi/emc規范的兼容性、甚至產品的基本性能能否達到設計要求都有著重大影響。本文主要討論電源電路中電氣噪聲的產生和傳播機制。

        一、電壓調節器

      ????最為普通的功率轉換器就是電壓調節器,主要包含:開關型、并聯型和線性調節器。線性和并聯型調節器的適用范圍很有限,其輸出電壓必須保持低于輸入電壓。另外,大多數開關調節器的效率也優于對應的線性或并聯型調節器。不過,線性/并聯型調節器的低噪聲和簡單性使它們相對于開關調節器更有吸引力。

        最簡單的電壓調節器是并聯型調節器,它通過調節流過電阻的電流,使輸入電壓下降到一個穩定的輸出電平。齊納二極管具有類似功能,但齊納管中的功率消耗過大,且負載調整能力很差。有些并聯調節器允許利用分壓網絡設定穩定電壓,但通常是作為一個功能模塊出現在更為復雜的調節器或電源中。一般來講,并聯調節器適合于負載電流變化不大的低功耗系統。然而,這種狹窄的應用范圍可以通過增加一個有源調整元件(通常是一個雙極晶體管)而得以擴展,此時的并聯調節器就轉變為線性調節器。

      ????線性調節器的輸入電流接近于輸出電流,它的效率(輸出功率除以輸入功率)接近于輸出/輸入電壓比。因此,壓差是一個非常重要的性能,因為更低的壓差意味著更高的效率。低壓差線性穩壓器(ldo)可作為一道屏障來隔離開關調節器產生的噪聲,在此用途中,ldo調節器的低壓差特性有利于改善電路的總體效率。如果線性或并聯型調節器的性能不能滿足應用要求,那么設計者就必須轉而考慮開關型調節器。開關調節器或電源所產生的噪聲以傳導或輻射的形式出現,傳導型噪聲表現為電壓或電流形式,它們還可進一步分類為共模或差模傳播方式。更為復雜的是,連接線上有限的阻抗會將電壓/電流傳播轉換為電流/電壓傳播,另外差模/共模傳播也會產生出共模/差模傳播噪聲。

      ????通過降低上述一種或多種傳播類型的噪聲可以使電路得到優化,傳導型噪聲對于固定安裝系統的影響往往比對便攜式系統更為嚴重。因為便攜式設備依靠電池工作,它的負載和能源沒有傳播傳導型噪聲的外部連接。從一般意義上講,各種開關調節器都是利用有源元件(晶體管和二極管)在儲能元件(電感器和電容器)之間往復傳送電流,最終實現源端電壓/電流到負載端電壓/電流的轉換。為方便描述,考慮一個采用max1653 dc-dc轉換控制器構成的典型同步整流、降壓型轉換器。

      ????降低傳導型噪聲的一種最直接的方法是:在輸入端連接低阻抗旁路電容。另外一種方式較為靈巧,更節省成本和線路板空間,即:在電源和轉換器之間增加電感器,確保必要的直流電流能夠不受阻礙地通過,但應確保轉換器在最高至環路的轉折頻率都有一個比較低的輸入阻抗(大多數dc-dc開關轉換器的環路轉折點位于10khz到100khz間)。否則的話,輸入電壓的波動會導致輸出電壓不穩定。

      ????輸出電容(cout)上的紋波電流要比cin上的低得多,不但幅度較低,并且(不同于輸入電容)電流是連續的,因此也就具有比較少的諧波成分。通常,每匝線圈都被一層絕緣物質覆蓋,這就在各匝線圈之間形成了一個小的電容。這些雜散電容串聯疊加后形成一個和電感相并聯的小等效電容,它提供了一條將沖擊電流傳導至cout和負載的通路。這樣,開關節點處(lx)電壓波形的不連續跳變沿就會向cout和負載傳送高頻電流,結果常常是在輸出電壓上形成毛刺,能量分布于20mhz至50mhz范圍。

      ????這種類型轉換器的負載常常是對于傳導噪聲敏感的微電子電路,不過幸運的是,轉換器的傳導噪聲在輸出端比起輸入端來更容易控制。和輸入端一樣,輸出傳導噪聲也可以利用低阻抗旁路或第二級濾波來加以控制。需要注意的是,第二級(后端)濾波器的使用應當謹慎。輸出電壓是控制環路中的一個控制變量,輸出濾波器給環路增益附加了延時或相移(或兩者),有可能使電路不穩定。如果一個高q值lc后端濾波器被置于反饋點之后,電感器的電阻將會降低負載調整特性,并且瞬態負載電流會引起輸出振蕩。降壓轉換器中的上述問題同樣存在于其它類型的開關轉換器中。

        二、共模噪聲

      ????按照定義,共模傳導噪聲在輸入或輸出端的兩條連接線上相位相同。一般來講,它僅對那些和大地有連接通路的固定系統造成影響。在一個帶有共模濾波器的典型離線式電源中,共模噪聲的主要產生源是mosfet。mosfet通常是電路中的主要耗能元件,很多情況下需要配散熱器。

      ????to-220器件的散熱片連接于mosfet漏極,而大多數情況下,散熱器會向大地傳導電流。由于mosfet與散熱器電氣隔離,它和大地之間具有一定的分布電容。隨著它的打開和關斷,迅速變化的漏極電壓會通過分布電容(cp1)向大地發送電流。由于交流電線和大地之間的低阻抗,這種共模電流會通過交流輸入流入大地。變壓器也會通過分布于隔離的初、次級繞組間的電容(cp2a,cp2b)傳導高頻電流。這樣,噪聲會同時傳向輸出端和輸入端。圖2中,共模傳導噪聲被安置在噪聲源(電源)和輸入或輸出之間的共模濾波器抑制。共模扼流圈(cml1,cml2)通常是在單一磁芯上按圖中所示極性繞制而成。負載電流和驅動電源的入線電流都是差模電流(電流由一條線流入另一條線流出)。在這種由單一磁芯繞制的共模扼流圈中,差模電流產生的磁場互相抵消,因此可以使用較小的磁芯,因為其中的儲能很小。許多為離線式電源設計的共模扼流圈采用空間上分離的線圈繞成。這種結構增加了一定的差模電感,這有助于降低傳導型差模噪聲。由于磁芯同時穿過兩組線圈,所以由差模電流和差模電感產生的磁場主要存在于空氣中而非磁芯中,這會導致電磁輻射。產生于電源所帶負載的共模噪聲會經由變壓器中的分布電容(cp2a,cp2b),穿過電源向交流電網傳播。在變壓器中增加法拉第屏蔽(初、次級之間的接地層)可以降低這種噪聲。

        三、電場

      ????由于電場存在于兩個具有不同電位的表面或實體之間,因此,只需要用一個接地的防護罩將設備屏蔽起來,就可以相對容易地將設備內部產生的電場噪聲限制在屏蔽罩內部。這種屏蔽措施已被廣泛用于監視器、示波器、開關電源以及其它具有大幅度電壓擺動的設備。另外一種通行的做法是在線路板上設置接地層。電場強度正比于表面之間的電位差,并反比于它們之間的距離。舉例來講,電場可存在于源和附近的接地層之間。這樣,利用多層線路板,在電路或連線與高電位之間設置一個接地層,就可以對電場起到屏蔽作用。不過,在采用接地層時還應注意到高壓線路中的容性負載。電容器儲能于電場中,這樣,當靠近一個電容器設置接地層時就在導體和地之間形成一個電容。導體上的大dv/dt信號會產生大傳導電流到地,這樣,在控制輻射噪聲的同時卻增大了傳導噪聲。

        如果出現電場散射,來源最有可能位于系統中電位最高的地方。在電源和開關調節器中,應該注意開關晶體管和整流器,因為它們通常具有高電位,而且由于帶有散熱器,也具有比較大的表面積。表面安裝器件同樣存在這個問題,因為它們常常要求大面積線路板覆銅來幫助散熱。這種情況下,還應注意大面積散熱面和接地層或電源層之間的分布電容。

        四、磁場

      ????電場相對比較容易控制,但磁場就完全不同了。采用高磁導率的物質將電路封閉起來可以起到類似的屏蔽作用,但是這種方法實現起來非常困難而且昂貴。通常來講,控制磁場散射最好的辦法就是在源頭將其減至最小。一般情況下,這就要求你選擇那些磁輻射小的電感和變壓器。同樣重要的還有,在進行電路板布局和連接線配置時要注意最大限度減小電流回路的尺寸,尤其是那些載有大電流的回路。大電流回路不僅向外輻射磁場,它們還增加了導線的電感,這會在載有高頻電流的線上引起電壓尖刺。

        五、電感器

      ????沒有電感或變壓器設計經驗的電路設計者傾向于選擇商品化的變壓器和電感。不過,了解一點磁性材料方面的知識將有助于設計者針對具體應用做出最適當的選擇。降低電感散射的關鍵是選用高磁導率的材料,以便使磁場局限于磁芯中而不向周圍空間散射。高磁導率介質不能儲存很多能量,所以,為了縮小電感尺寸,常常采用帶有氣隙的高磁導率磁芯。

        六、布局

      ????元件的選擇對于控制emi至關重要,但電路板的布局和互連也具有同等重要的影響。尤其是對于高密度、采用多層電路板的開關電源,元件的布局和走線對于電路的正常工作具有重要的影響。功率的切換可以在連接線上產生很大dv/dt和di/dt的信號,它可以耦合到其它連線上造成兼容性問題。不過,只要在關鍵回路的布局方面多加注意,就可避免兼容性問題以及花費很大代價去對線路板進行修改。對于一個系統來講,輻射型和傳導型電磁干擾很容易區分,但具體到某快電路板或某段導線,問題就變得復雜了。相鄰連線之間會有電場的耦合,同時也會通過分布電容傳導電流。同樣地,連線之間也會象變壓器一樣通過磁場發生耦合。這種相互作用可以利用集中元件進行描述,也可以采用電磁場理論進行分析。具體采用何種方法取決于系統的精確度要求。

      ????在進行布線時,應該保證接地層不向電路的敏感部分耦合噪聲。例如,輸入、輸出旁路電容就經常通過接地層傳輸電流,高頻電流對于敏感電路會產生不可忽視的影響。為避免這種問題,常常在電路板上采用獨立的層面,分別用于電源和信號的接地。將不同層面在單點連接,那么,大功率接地層上的噪聲就不會注入到其它層面上去。這種做法類似于所有元件在單點接地的星形地(所有線條以“星”形匯聚至接地點),效果等同于采用獨立的功率和信號接地。??

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