【導(dǎo)讀】理解電壓調(diào)節(jié)器的物理特性對(duì)于設(shè)計(jì)符合EMI和EMC兼容性要求的電源系統(tǒng)至關(guān)重要。開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器(降壓、升壓、反激以及SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))的物理特性對(duì)于元件選擇、電磁設(shè)計(jì)以及PCB布局具有特殊的指導(dǎo)意義。漏感、ESR和ESL的寄生效應(yīng)是優(yōu)化電路性能的關(guān)鍵所在。
大多數(shù)便攜設(shè)備包含電壓調(diào)節(jié)器或其它類(lèi)型的電源電路，許多非便攜式設(shè)備中使用的小尺寸光刻技術(shù)IC要求較低的供電電壓，也必須由特定的電源電路來(lái)提供。然而許多設(shè)計(jì)者并不完全了解，電壓調(diào)節(jié)器和電源電路的選擇對(duì)于電池壽命、電磁干擾/電磁兼容(EMI/EMC)規(guī)范的兼容性、甚至產(chǎn)品的基本性能能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求都有著重大影響。以下就有關(guān)電源電路中電氣噪聲的產(chǎn)生和傳播機(jī)制及物理原理進(jìn)行討論。
電壓調(diào)節(jié)器
最為普通的功率轉(zhuǎn)換器就是電壓調(diào)節(jié)器。它可以接受一個(gè)在某給定范圍內(nèi)變動(dòng)的輸入電壓，并產(chǎn)生一個(gè)不變的輸出電壓。電壓調(diào)節(jié)器主要包含兩大類(lèi)：開(kāi)關(guān)型和所有其它類(lèi)型(主要是線性和并聯(lián)型)。不同于開(kāi)關(guān)型調(diào)節(jié)器，線性和并聯(lián)型的適用范圍很有限，因?yàn)槠漭敵鲭妷罕仨毐３值陀谳斎腚妷?。另外，大多?shù)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的效率也優(yōu)于對(duì)應(yīng)的線性或并聯(lián)型調(diào)節(jié)器。不過(guò)，線性/并聯(lián)型調(diào)節(jié)器的低噪聲和簡(jiǎn)單性使它們相對(duì)于開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器更有吸引力。
最簡(jiǎn)單的電壓調(diào)節(jié)器是并聯(lián)型調(diào)節(jié)器，它通過(guò)調(diào)節(jié)流過(guò)電阻的電流，使輸入電壓下降到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電平。齊納二極管具有類(lèi)似功能，但齊納管中的功率消耗過(guò)大，且負(fù)載調(diào)整(輸出電壓隨負(fù)載電流的變化)很差。有些并聯(lián)調(diào)節(jié)器允許利用分壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)定穩(wěn)定電壓，但通常是作為一個(gè)功能模塊出現(xiàn)在更為復(fù)雜的調(diào)節(jié)器或電源中。一般來(lái)講，并聯(lián)調(diào)節(jié)器適合于負(fù)載電流變化不大的低功耗系統(tǒng)。然而，這種狹窄的應(yīng)用范圍可以通過(guò)增加一個(gè)有源調(diào)整元件(通常是一個(gè)雙極晶體管)而得以擴(kuò)展，此時(shí)的并聯(lián)調(diào)節(jié)器就轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性調(diào)節(jié)器。
線性電壓調(diào)節(jié)器
線性電壓調(diào)節(jié)器利用一個(gè)有源調(diào)整元件(雙極型或MOSFET)將輸入電壓降低至穩(wěn)定的輸出電壓。這類(lèi)器件中，低壓差型(LDO)在過(guò)去的十年中已十分流行。壓差指維持輸出穩(wěn)定所需的最小電壓差異(輸入和輸出之間)。降落電壓高達(dá)1V的調(diào)節(jié)器一度被稱為L(zhǎng)DO，但更典型的壓差值在100mV至300mV之間。
線性調(diào)節(jié)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)是輸出/輸入電壓比的函數(shù)。因此，壓差是一個(gè)非常重要的性能，因?yàn)楦偷膲翰钜馕吨叩男?。如果輸入電壓高出輸出很多，或者它在很寬的范圍?nèi)變動(dòng)，那么就很難獲得比較高的轉(zhuǎn)換效率。除此之外LDO調(diào)節(jié)器還可作為一道屏障來(lái)隔離開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的噪聲(進(jìn)一步討論)。在此用途中，LDO調(diào)節(jié)器的低壓差特性有利于改善電路的總體效率。
開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器
如果線性或并聯(lián)型調(diào)節(jié)器的性能不能滿足應(yīng)用要求，那么設(shè)計(jì)者就必須轉(zhuǎn)而考慮開(kāi)關(guān)型調(diào)節(jié)器。然而，伴隨著性能的改進(jìn)也帶來(lái)一些不足之處，例如更大的尺寸和更高的成本，更敏感于(并產(chǎn)生)電氣噪聲，以及復(fù)雜程度的增加等等。
開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器或電源所產(chǎn)生的噪聲以傳導(dǎo)或輻射的形式出現(xiàn)。傳導(dǎo)型噪聲表現(xiàn)為電壓或電流形式，它們還可進(jìn)一步分類(lèi)為共?；虿钅鞑シ绞健８鼮閺?fù)雜的是，連接線上有限的阻抗會(huì)將電壓傳播轉(zhuǎn)換為電流傳播，反之亦然，并且差模傳播也會(huì)產(chǎn)生出共模傳播噪聲，反之亦然。
一般來(lái)講，你可以降低上述一種或多種傳播類(lèi)型的噪聲使電路得到優(yōu)化。傳導(dǎo)型噪聲對(duì)于固定系統(tǒng)的影響往往比對(duì)便攜式系統(tǒng)更為嚴(yán)重。因?yàn)楸銛y式設(shè)備依靠電池工作，它的負(fù)載和電源沒(méi)有傳播傳導(dǎo)型噪聲的外部連接。
為了理解開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器中的噪聲源，必須首先了解其工作原理。對(duì)于各種類(lèi)型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的描述超出了本文的涉及范圍。不過(guò)，基本上各種開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器都是利用有源元件(晶體管和二極管)在儲(chǔ)能元件(電感和電容)之間往復(fù)傳送電流，最終實(shí)現(xiàn)源端電壓/電流到負(fù)載端電壓/電流的轉(zhuǎn)換。為方便描述，采用MAX1653 DC/DC轉(zhuǎn)換控制器構(gòu)成典型的同步整流、降壓型轉(zhuǎn)換器(圖1)。
圖1. 圖中所示的降壓型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器采用外接的開(kāi)關(guān)管(N1)和同步整流器(N2)
正常工作期間，該電路在高端開(kāi)關(guān)(N1)導(dǎo)通時(shí)從輸入向輸出傳送電流，而在N1關(guān)斷、同步整流器(N2)導(dǎo)通時(shí)由電感繼續(xù)傳送。粗略假定所有元件都是理想的，可以得到近似一階的電流和電壓波形(圖2)，這些元件的寄生效應(yīng)將在后續(xù)部分中考慮進(jìn)來(lái)。
圖2. 這些工作波形基于圖1電路中所有元件具有理想特性的假設(shè)后得出
由于N1僅在一部分時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，從源端和輸入電容(CIN)的位置看來(lái)電流是不連續(xù)的。CIN在N1導(dǎo)通時(shí)提供超出部分電流(IL - IINPUT)，而在N1關(guān)斷時(shí)由輸入電流儲(chǔ)存電荷。如果CIN為無(wú)限大，且具有零等效串聯(lián)電阻(ESR)和零等效串聯(lián)電感(ESL)，它兩端的電壓將在上述充電和放電周期中保持恒定。當(dāng)然，實(shí)際電壓會(huì)在每個(gè)周期間波動(dòng)。電流脈沖根據(jù)電導(dǎo)率關(guān)系，以等于或高于轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率的速度，在CIN和輸入源之間進(jìn)行分配。
降低這種傳導(dǎo)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。另外一種靈巧一點(diǎn)的辦法更為節(jié)省成本和電路板空間：增加電源和轉(zhuǎn)換器之間的阻抗，并確保必要的直流電流能夠不受阻礙地通過(guò)。最佳的阻抗元件是電感器，但應(yīng)確保轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗在最高至環(huán)路的轉(zhuǎn)折頻率時(shí)都保持較低的水平(大多數(shù)DC-DC開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的環(huán)路轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于10kHz到100kHz間)。否則的話，輸入電壓的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)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，而且(不同于輸入電容)電流是連續(xù)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(zhì)覆蓋，這就在各匝線圈之間形成了一個(gè)小的電容。這些雜散電容串聯(lián)疊加后形成一個(gè)和電感相并聯(lián)的小等效電容，它提供了一條將沖擊電流傳導(dǎo)至COUT和負(fù)載的通路。這樣，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)處(LX)電壓波形的不連續(xù)跳變沿就會(huì)向COUT和負(fù)載傳送高頻電流，結(jié)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(lèi)型轉(zhuǎn)換器的負(fù)載常常是對(duì)于傳導(dǎo)噪聲敏感的某種形式的微電子電路，不過(guò)幸運(yùn)的是，轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)噪聲在輸出端比起輸入端來(lái)更容易控制。和輸入端一樣，輸出傳導(dǎo)噪聲也可以利用低阻抗旁路或第二級(jí)濾波來(lái)加以控制，第二級(jí)(后端)濾波器的使用應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎。輸出電壓是控制環(huán)路中的一個(gè)控制變量，輸出濾波器給環(huán)路增益附加了延時(shí)或相移(或兩者)，有可能使電路不穩(wěn)定。如果一個(gè)高Q值LC后端濾波器被置于反饋點(diǎn)之后，電感的電阻將會(huì)降低負(fù)載調(diào)整特性，并且瞬態(tài)負(fù)載電流會(huì)引起輸出振蕩。
其它拓?fù)?/strong>
其它類(lèi)型的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器具有與降壓轉(zhuǎn)換器類(lèi)似的問(wèn)題。以升壓型轉(zhuǎn)換器(圖3)為例，此種類(lèi)型轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)類(lèi)似于降壓型轉(zhuǎn)換器，只不過(guò)輸入和輸出易位。這樣，出現(xiàn)于降壓轉(zhuǎn)換器輸入端的問(wèn)題也會(huì)出現(xiàn)在升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端，反之亦然。
圖3. 這個(gè)升壓型開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器缺省同步整流器，但仍然相似于輸入和輸出互換的降壓型結(jié)構(gòu)。
降壓轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用具有局限性，因?yàn)槠漭敵鲭妷罕仨毜陀谳斎腚妷?。?lèi)似地，升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓必須高于其輸入電壓。當(dāng)輸出電壓落在輸入電壓范圍之間時(shí)，就給這兩種拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換器造成一些困難。反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)淇梢越鉀Q這個(gè)問(wèn)題(圖4)。
圖4. 反激式調(diào)節(jié)器在輸入范圍高于和低于輸出電壓的情況下都可保持穩(wěn)定的輸出
反激式轉(zhuǎn)換器輸入、輸出端的電流均不連續(xù)，這使傳導(dǎo)型噪聲更加難以控制，這種轉(zhuǎn)換器的噪聲特性通常比升壓型或降壓型更差。存在于這種轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)問(wèn)題是，變壓器上每個(gè)繞組中的電流都不連續(xù)。這種不連續(xù)電流作用于變壓器漏感就會(huì)產(chǎn)生高頻電壓尖刺，它可以傳播到其它電路。初、次級(jí)線圈之間的空間間隔是造成漏感的主要原因。也就是說(shuō)，漏感是由空氣中的磁場(chǎng)引起的(因?yàn)榇判局械拇艌?chǎng)同時(shí)耦合至初級(jí)和次級(jí)線圈)。因此，因漏感而產(chǎn)生的電壓尖刺會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。
另一種解決輸入和輸出電壓交疊問(wèn)題的方法是采用單端主電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)拓?fù)?。SEPIC轉(zhuǎn)換器類(lèi)似于反激式電路，只是在變壓器初級(jí)和次級(jí)線圈間連接了一個(gè)電容(圖5)。在反激電流被切斷時(shí)，這個(gè)電容提供了一條初級(jí)和次級(jí)線圈的續(xù)流通路，由于初級(jí)和次級(jí)線圈中的電流變?yōu)檫B續(xù)，因此改善了反激式電路的性能。從另一方面講，增加反激式電路的輸入輸出電容通常也可以有效改善其噪聲性能，使這種拓?fù)淇梢员唤邮?。如果傳?dǎo)噪聲和輻射噪聲可能會(huì)成為問(wèn)題的話，那么SEPIC電路要優(yōu)于反激式。
圖5. 不同于非常相似的反激式調(diào)節(jié)器，單端主電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)具有連續(xù)的初級(jí)和次級(jí)電流，所產(chǎn)生的噪聲更低。
線性后端調(diào)節(jié)
有些應(yīng)用要求輸出噪聲非常小，而又無(wú)法接受線性調(diào)節(jié)器的低效率。這種情況下，采用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器后接線性調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)可能會(huì)比較適合。后端調(diào)節(jié)器可以削弱開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的高頻噪聲，最終的噪聲性能可以接近于一個(gè)單獨(dú)的線性調(diào)節(jié)器。由于大部分電壓轉(zhuǎn)換由開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器完成，因而效率的損失要比完全采用線性調(diào)節(jié)器時(shí)小得多。
這種方案也可以用于在輸入輸出電壓范圍有重疊的應(yīng)用中，替換反激式和SEPIC轉(zhuǎn)換器。當(dāng)輸入電壓低于輸出時(shí)升壓轉(zhuǎn)換器工作，而當(dāng)輸入高于輸出時(shí)線性調(diào)節(jié)器發(fā)揮作用。升壓轉(zhuǎn)換器和低壓差(LDO)線性調(diào)節(jié)器可以被組合到單片IC中(圖6)。這種器件具有一種跟蹤模式，使升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓總是高出LDO輸出電壓300mV。這樣，LDO調(diào)節(jié)器能夠保證具有足夠的PSRR和電壓裕量(輸入減輸出)，可以在各種情況下抑制升壓轉(zhuǎn)換器的輸出噪聲。
圖6. 作為第三種選擇方案，此IC結(jié)合了一個(gè)開(kāi)關(guān)型調(diào)節(jié)器(用于升壓)和一個(gè)線性調(diào)節(jié)器(用于降壓)，當(dāng)輸入電壓范圍跨越輸出電壓時(shí)可以保持穩(wěn)定的輸出。
共模噪聲
按照定義，共模傳導(dǎo)噪聲在輸入或輸出端的兩條連接線上相位相同。一般來(lái)講，它僅對(duì)那些和大地有連接通路的固定系統(tǒng)造成影響。在一個(gè)帶有共模濾波器的典型離線式電源中(圖7)，共模噪聲的主要來(lái)源是MOSFET。MOSFET通常是電路中的主要耗能元件，很多情況下它需要配散熱器。
圖7. 在這個(gè)典型的離線式電源中，共模濾波器可降低輸入和輸出兩側(cè)的噪聲。
TO-220器件的散熱片連接于MOSFET漏極，而大多數(shù)情況下，散熱器會(huì)向大地傳導(dǎo)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。隨著開(kāi)關(guān)的打開(kāi)和關(guān)斷，迅速變化的漏極電壓會(huì)通過(guò)分布電容(CP1)向大地發(fā)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(huì)通過(guò)交流輸入流入大地。變壓器也會(huì)通過(guò)分布于隔離的初、次級(jí)繞組間的電容(CP2A和CP2B)傳導(dǎo)高頻電流。這樣，噪聲會(huì)同時(shí)傳向輸出端和輸入端。
圖7中，共模傳導(dǎo)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和CML2)通常是在單一磁芯上按圖中所示極性繞制而成。負(fù)載電流和驅(qū)動(dòng)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(chǎn)生的磁場(chǎng)互相抵消，因此可以使用較小的磁芯，因?yàn)槠渲械膬?chǔ)能很小。
許多為離線式電源設(shè)計(jì)的共模扼流圈采用空間上分離的線圈繞成。這種結(jié)構(gòu)增加了一定的差模電感，這有助于降低傳導(dǎo)型差模噪聲。由于磁芯同時(shí)穿過(guò)兩組線圈，所以由差模電流和電感產(chǎn)生的磁場(chǎng)主要存在于空氣中而非磁芯中，這會(huì)導(dǎo)致電磁輻射。
產(chǎn)生于電源所帶負(fù)載的共模噪聲會(huì)經(jīng)由變壓器中的分布電容(CP2A和CP2B)，穿過(guò)電源向交流電網(wǎng)傳播。在變壓器中增加法拉第屏蔽(初、次級(jí)之間的接地層)可以降低這種噪聲(圖8)。屏蔽層的引入在初級(jí)和次級(jí)線圈與地之間分別形成了分布電容，這些電容將共模電流旁路到地，而不再穿過(guò)變壓器。
圖8. 初級(jí)和次級(jí)之間的法拉第屏蔽可以阻斷通過(guò)變壓器繞組間分布電容的共模噪聲
正如傳導(dǎo)噪聲總是以電壓或電流的形式出現(xiàn)，輻射噪聲則是表現(xiàn)為電場(chǎng)或磁場(chǎng)的形式。然而，由于電磁場(chǎng)存在于空間而非導(dǎo)體中，因此也就沒(méi)有差分或共模之別。電場(chǎng)存在于兩個(gè)電位之間的空間中，磁場(chǎng)圍繞通過(guò)空間的電流而存在。兩種場(chǎng)可存在于一個(gè)電路中，因?yàn)殡娙菥褪且噪妶?chǎng)的形式儲(chǔ)能而電感/變壓器則以磁場(chǎng)的形式儲(chǔ)存/耦合能量。
電場(chǎng)
由于電場(chǎng)存在于兩個(gè)具有不同電位的表面或?qū)嶓w之間，因此，只需要用一個(gè)接地的防護(hù)罩將設(shè)備屏蔽起來(lái)，就可以相對(duì)容易地將設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的電場(chǎng)噪聲限制在屏蔽罩內(nèi)部。這種屏蔽措施已被廣泛用于監(jiān)視器、示波器、開(kāi)關(guān)電源以及其它具有大幅度電壓擺動(dòng)的設(shè)備。另外一種通行的做法是在電路板上設(shè)置接地層。電場(chǎng)強(qiáng)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(lái)講，電場(chǎng)可存在于源和附近的接地層之間。這樣，利用多層線路板，在電路或線條與高電位之間設(shè)置一個(gè)接地層，就可以對(duì)電場(chǎng)起到屏蔽作用。
不過(guò)在采用接地層時(shí)還應(yīng)注意到高壓線路中的容性負(fù)載。電容儲(chǔ)能于電場(chǎng)中，這樣，當(dāng)靠近一個(gè)電容設(shè)置接地層時(shí)就在導(dǎo)體和地之間形成一個(gè)電容。導(dǎo)體上的大dV/dt信號(hào)會(huì)產(chǎn)生大傳導(dǎo)電流到地，這樣，在控制輻射噪聲的同時(shí)卻降低了傳導(dǎo)噪聲性能。
如果出現(xiàn)電場(chǎng)散射，來(lái)源最有可能位于系統(tǒng)中電位最高的地方。在電源和開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器中，應(yīng)該注意開(kāi)關(guān)晶體管和整流器，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂懈唠娢?，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(gè)問(wèn)題，因?yàn)樗鼈兂３Ｒ蟠竺娣e電路板覆銅來(lái)幫助散熱。這種情況下，還應(yīng)注意大面積散熱面和接地層或電源層之間的分布電容。
磁場(chǎng)
電場(chǎng)相對(duì)比較容易控制，但磁場(chǎng)就完全不同了。采用高磁導(dǎo)率(µ)的物質(zhì)將電路封閉起來(lái)可以起到類(lèi)似的屏蔽作用，但是這種方法實(shí)現(xiàn)起來(lái)非常困難而且昂貴。通常來(lái)講，控制磁場(chǎng)散射最好的辦法就是在源頭將其減至最小。一般情況下，這就要求選擇那些磁輻射小的電感和變壓器。同樣重要的還有，在進(jìn)行電路板布局和連接線配置時(shí)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(chǎng)，但它們還增加了導(dǎo)線的電感，這會(huì)在載有高頻電流的線上引起電壓尖刺。
電感
沒(méi)有電感或變壓器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)者傾向于選擇商品化的變壓器和電感。盡管如此，了解一點(diǎn)磁性材料方面的知識(shí)將有助于設(shè)計(jì)者針對(duì)具體應(yīng)用做出最適當(dāng)?shù)倪x擇。
降低電感散射的關(guān)鍵是選用高磁導(dǎo)率的材料，以便使磁場(chǎng)局限于磁芯中而不向周?chē)臻g散射。在高磁導(dǎo)率介質(zhì)中，磁場(chǎng)密度幾乎隨著磁導(dǎo)率正比增加。這很象是并聯(lián)的電導(dǎo)：當(dāng)一個(gè)1S的電導(dǎo)(即1Ω電阻)和一個(gè)1mS的電導(dǎo)(1kΩ電阻)并聯(lián)時(shí)，其中的電流將是1mS電導(dǎo)中電流的1000倍。一個(gè)1000µ、1in²的磁芯相比于一個(gè)1µ、1in²的磁芯，其中的磁場(chǎng)密度之比例為1000:1。高磁導(dǎo)率介質(zhì)不能儲(chǔ)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(dǎo)率磁芯。
為方便理解，參見(jiàn)圖9。參量B (X軸)正比于V×t/N，其中N為線圈匝數(shù)。參量H (Y軸)正比于N×i。這樣，曲線的斜率(正比于µ)也就正比于電感(L = V/[di/dt])。為這個(gè)鐵氧體磁芯(或其他類(lèi)型的高磁導(dǎo)率磁芯)增加氣隙將使斜率降低，同時(shí)降低了等效磁導(dǎo)率和相關(guān)的電感。電感因斜率的變化而降低，而最大電流因斜率的變化而增加，同時(shí)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持不變。所以，儲(chǔ)存于電感的最大能量(½LI²)增加了。這種增加也可以通過(guò)給電感施加一個(gè)電壓，然后觀察達(dá)到飽和Bsat所需的時(shí)間來(lái)得到印證。儲(chǔ)存于磁芯的能量是(V×i)dt的積分。因?yàn)閷?duì)于帶有氣隙的磁芯，同樣的電壓和時(shí)間下總是具有更高的電流，所以相應(yīng)的儲(chǔ)能也更高。
圖9. 鐵氧體磁芯增加氣隙后迫使磁通透出磁芯，使電感或變壓器儲(chǔ)能于器件周?chē)拇艌?chǎng)中。
然而，采用帶氣隙的磁芯會(huì)增加電感周?chē)臻g中的磁輻射。以軸狀磁芯為例，因?yàn)榫哂泻艽蟮臍庀?，它在工作時(shí)具有很強(qiáng)的磁輻射，正是由于這個(gè)原因，在很多對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用中不被采用。軸狀磁芯(線軸狀的鐵氧體)是一種最為簡(jiǎn)單和最為廉價(jià)的帶氣隙的鐵氧體磁芯。將線圈繞于中軸上面便構(gòu)成一只電感。由于線圈直接繞在磁芯上，除了線圈的引出外不再需要其它處理，因此成本很低。很多情況下，導(dǎo)線是通過(guò)磁芯底部的一塊金屬化區(qū)引出的，使電感可以進(jìn)行表面安裝。其它一些表面安裝電感則是被固定在一個(gè)陶瓷或塑料頂蓋上，線圈通過(guò)頂蓋引出。
有些制造商在軸狀磁芯外部套裝了一個(gè)鐵氧體屏蔽罩來(lái)降低輻射。這種辦法是有效的，但同時(shí)也減小了氣隙，因而也就降低了磁芯儲(chǔ)能。由于鐵氧體自身儲(chǔ)能不多，通常在磁芯和屏蔽罩之間保留了一個(gè)小的氣隙，這將使這種類(lèi)型的電感輻射一部分磁場(chǎng)。不過(guò)，在某種可以接受的散射水平下，軸狀磁芯在成本和EMI之間是一個(gè)比較好的折衷。
其它不同形狀的磁芯也可以根據(jù)應(yīng)用要求增加氣隙(或不加)。例如罐狀磁芯、E-I磁芯和E-E磁芯等都具有一個(gè)中心柱或軸(圖10)，可以在上面開(kāi)出一個(gè)空氣間隙。在磁芯的中心開(kāi)氣隙并用線圈將其完全包圍起來(lái)，有助于減少氣隙向外部空間的磁輻射。這種電感通常更貴一些，因?yàn)榫€圈必須獨(dú)立于磁芯繞制，磁芯環(huán)繞線圈組裝。為便于設(shè)計(jì)和組裝，可以購(gòu)買(mǎi)中軸上預(yù)留氣隙的磁芯。
圖10. 不同幾何形狀的磁芯具有不同的儲(chǔ)能能力、磁輻射和組裝難易程度，它們均可增加氣隙。
或許在降低磁輻射方面表現(xiàn)最好的磁芯是具有分布式氣隙的磁環(huán)。這種磁芯采用填充材料和高磁導(dǎo)率金屬粉末混合后壓制成型。被非磁性填充物分隔的金屬粉末顆粒中有小的氣隙，能夠產(chǎn)生均勻分布在整個(gè)磁芯的總“氣隙”。線圈環(huán)繞磁環(huán)繞制，使磁場(chǎng)在線圈中間沿著磁環(huán)形成圓環(huán)。當(dāng)線圈繞滿磁環(huán)整個(gè)圓周時(shí)，它就完全包圍住磁場(chǎng)將其屏蔽起來(lái)。
分布?xì)庀妒酱怒h(huán)的能損有時(shí)會(huì)比開(kāi)有氣隙的鐵氧體磁芯更高一些，這是由于組成芯體的金屬顆粒中容易形成渦流，導(dǎo)致磁芯發(fā)熱而使電源效率降低。由于線圈必須穿過(guò)磁環(huán)中心，繞制比較困難，所以這種類(lèi)型的電感也比較貴。線圈繞制可由機(jī)器完成，但比起傳統(tǒng)類(lèi)型的繞線機(jī)，這種類(lèi)型的機(jī)器更貴而且操作更慢。
有些鐵氧體磁環(huán)具有非連續(xù)的氣隙。這種磁芯所產(chǎn)生的磁輻射高于上述分布?xì)庀妒酱判?，但典型的帶氣隙磁環(huán)具有比較低的能損，因?yàn)樗鼈兎忾]磁場(chǎng)的能力要優(yōu)于其它類(lèi)型的具有非連續(xù)氣隙的鐵氧體磁芯。用線圈包圍氣隙可以降低磁輻射，而環(huán)狀磁芯更有助于將磁場(chǎng)封閉于芯體內(nèi)部。
變壓器
變壓器具有許多和電感共有的局限，因?yàn)樗鼈儾捎猛瑯拥拇判纠@制而成。除此之外，變壓器還有一些獨(dú)有的特性。實(shí)際變壓器的特性接近于理想變壓器—以正比于繞組匝比的電壓比率從初級(jí)向次級(jí)耦合電壓。
在變壓器等效電路中(圖11)，繞組間的分布電容等效為電容CWA和CWB。這些因素帶來(lái)的主要問(wèn)題是隔離電源中的共模散射問(wèn)題。繞組電容CP和CS很小，在開(kāi)關(guān)型電源和調(diào)節(jié)器的工作頻率下通常可以忽略。勵(lì)磁電感LM的作用很重要，因?yàn)檫^(guò)高的勵(lì)磁電流會(huì)造成變壓器飽和。和電感一樣，飽和狀態(tài)下變壓器的磁輻射將會(huì)增加。飽和還會(huì)造成更高的磁芯能損，更高的溫升(有可能引起熱失控)，以及降低繞組間的耦合度。
圖11. 變壓器等效模型中的分布元件使其理想工作特性發(fā)生變化
漏感是由僅匝鏈一個(gè)繞組而未匝鏈其它繞組的磁場(chǎng)產(chǎn)生的。雖然在有些耦合式電感和變壓器(就象前面討論的共模扼流圈)中有意將這個(gè)參數(shù)設(shè)計(jì)得比較大，但對(duì)于開(kāi)關(guān)電源來(lái)講，漏感LLP和LLS常常是最令人頭痛的寄生元件。同時(shí)匝鏈兩個(gè)繞組的磁通將兩個(gè)繞組耦合為一體。所有變壓器繞組都環(huán)繞磁芯，因此任何漏感都存在于磁芯外部，在空氣中，會(huì)向外界產(chǎn)生磁輻射。
漏感帶來(lái)的另外一個(gè)問(wèn)題是，當(dāng)電流迅速變化時(shí)會(huì)產(chǎn)生大電壓，這在大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源變壓器中有所表現(xiàn)。這種大電壓會(huì)使開(kāi)關(guān)晶體管或整流器過(guò)壓而損壞。吸收緩沖器(通常是一只串聯(lián)的電阻和電容)常被用來(lái)耗散這種電壓尖峰的能量，而使電壓得到控制。另一方面，有些開(kāi)關(guān)器件被設(shè)計(jì)為可以承受一定的重復(fù)性雪崩擊穿，能夠耗散一定功率，可以不用外部緩沖器。
變壓器漏感的測(cè)定很簡(jiǎn)單，只需短路次級(jí)線圈，然后測(cè)量初級(jí)電感即可。這種測(cè)量結(jié)果中也包含了通過(guò)變壓器耦合的次級(jí)漏感，多數(shù)情況下，這個(gè)漏感也必須加以考慮，因?yàn)樗矔?huì)增加初級(jí)側(cè)的電壓尖峰。對(duì)應(yīng)的尖峰能量可按公式E = ½LI²計(jì)算，這樣，漏感造成的功率消耗就是每一尖峰的能量乘以開(kāi)關(guān)頻率：P = ½LI²f。
對(duì)于變壓器的具體要求和不同的電源拓?fù)溆嘘P(guān)。有些拓?fù)渫ㄟ^(guò)變壓器直接耦合能量，例如半橋、全橋、推挽式或正激式轉(zhuǎn)換器，這就要求非常高的勵(lì)磁電感以防止飽和。這些電路中變壓器的初級(jí)和次級(jí)線圈同時(shí)傳輸電流，直接通過(guò)變壓器耦合能量。由于只有很少的能量?jī)?chǔ)存于磁芯中，變壓器可以做得比較小。這種變壓器通常采用沒(méi)有氣隙的鐵氧體或其它高磁導(dǎo)率材料的磁芯繞制而成。
另外一些電源拓?fù)鋭t要求變壓器磁芯儲(chǔ)存一定的能量。反激式電路中的變壓器在開(kāi)關(guān)周期的前半部分通過(guò)初級(jí)線圈儲(chǔ)能。在開(kāi)關(guān)周期的后半部分，能量被釋放并通過(guò)次級(jí)線圈饋向輸出。和電感的情況一樣，不帶氣隙的高磁導(dǎo)率磁芯不太適合變壓器儲(chǔ)能。相反，磁芯必須具有不連續(xù)的或分布式的氣隙。這會(huì)使元件的尺寸比不帶氣隙時(shí)的情況更大一些，但卻省去了額外的儲(chǔ)能電感，因此更加節(jié)省成本和空間。
布局
元件的選擇對(duì)于控制EMI至關(guān)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(duì)于高密度、采用多層電路板的開(kāi)關(guān)電源，元件的布局和走線對(duì)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(chǎn)生很大dV/dt和di/dt的信號(hào)，它可以耦合到其它連線上造成兼容性問(wèn)題。不過(guò)，只要在關(guān)鍵回路的布局方面多加注意，就可避免兼容性問(wèn)題以及花費(fèi)很大代價(jià)去對(duì)電路板進(jìn)行修改。
對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)來(lái)講，輻射型和傳導(dǎo)型電磁干擾很容易區(qū)分，但具體到某快電路板或某段導(dǎo)線，問(wèn)題就變得復(fù)雜了。相鄰連線之間會(huì)有電場(chǎng)的耦合，同時(shí)也會(huì)通過(guò)分布電容傳導(dǎo)電流。同樣地，連線之間也會(huì)象變壓器一樣通過(guò)磁場(chǎng)發(fā)生耦合。這種相互作用可以利用集中元件進(jìn)行描述，也可以采用電磁場(chǎng)理論進(jìn)行分析。具體采用何種方法取決于系統(tǒng)的精確度要求。
串?dāng)_
兩個(gè)或更多導(dǎo)體靠得比較近時(shí)，它們之間就會(huì)有容性耦合，一個(gè)導(dǎo)體中的大幅度電壓變化會(huì)向其它導(dǎo)體耦合電流。如果導(dǎo)體是低阻抗的，則耦合電流僅產(chǎn)生很小的電壓。電容反比于導(dǎo)體間的距離而正比于導(dǎo)體的面積，這樣，減小相鄰導(dǎo)體的面積，并增加它們之間的距離，將有利于降低傳導(dǎo)型噪聲。
另外一個(gè)減小導(dǎo)體間耦合的辦法是增加一個(gè)接地或屏蔽層。導(dǎo)體之間的一條接地線(很多情況下為電源總線或其它類(lèi)型的低阻抗節(jié)點(diǎn))可以將容性耦合過(guò)來(lái)的干擾信號(hào)旁路到地，從而起到防止導(dǎo)體間相互干擾的作用。但應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎行之。如果載有快速dV/dt信號(hào)的線條被靠近某接地層放置，而該接地層與大地之間通過(guò)高阻互連，那么上述快速變化信號(hào)就會(huì)耦合進(jìn)入接地層。進(jìn)而接地層又會(huì)向敏感線路耦合，這樣，非但沒(méi)有改善，反而使噪聲問(wèn)題更加惡化。如果接地層不用承載大電流，通常趨向于采用細(xì)導(dǎo)線將其連接到地。然而，細(xì)導(dǎo)線具有比較大的電感，這會(huì)使接地層對(duì)于快速變化的電壓信號(hào)呈現(xiàn)為高阻。
必須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(jīng)常通過(guò)接地層傳輸電流，高頻電流對(duì)于敏感電路會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影響。為避免這種問(wèn)題，常常在電路板上采用獨(dú)立的層面，分別用于電源和信號(hào)的接地。將不同層面在單點(diǎn)連接，那么，大功率接地層上的噪聲就不會(huì)注入到其它層面上去。這種做法類(lèi)似于所有元件在單點(diǎn)接地的星形地(所有線條以“星”形匯聚至接地點(diǎn))。星形接地的效果等同于采用獨(dú)立的功率和信號(hào)接地，但在一個(gè)比較復(fù)雜的、包含許多接地元件的大型電路中無(wú)法實(shí)施。
如果已知某個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)噪聲敏感，那么所有連接到該節(jié)點(diǎn)的線條和導(dǎo)線都應(yīng)該遠(yuǎn)離那些有大幅度電壓變化的節(jié)點(diǎn)走線。如果做不到，需要增加一個(gè)良好的接地或屏蔽。良好的電容旁路也可以降低這些節(jié)點(diǎn)對(duì)串?dāng)_的敏感度。通常，一個(gè)連接于節(jié)點(diǎn)和地之間，或者是節(jié)點(diǎn)和電源總線之間的小電容，就可構(gòu)成一個(gè)適當(dāng)?shù)呐月贰?/div>
在選擇旁路電容時(shí)，要確保其在可能引起問(wèn)題的頻率范圍有足夠低的阻抗。等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)可能會(huì)使電容在高頻下的阻抗高于預(yù)期，因此，具有低ESR和ESL的陶瓷電容被普遍用于高頻旁路。陶瓷電介質(zhì)對(duì)于性能的影響也比較大。較高容量的電介質(zhì)(例如Y5V)會(huì)使電容隨著電壓和溫度的改變發(fā)生比較大的變化。在最高額定電壓下，由這種陶瓷制成的電容器的容量會(huì)比無(wú)偏壓時(shí)的容量低15%之多。更好一點(diǎn)的電介質(zhì)具有稍低的電容量，對(duì)串?dāng)_的抑制與偏壓和溫度的相關(guān)性更低，很多情況下可以提供更穩(wěn)定、更優(yōu)良的旁路。
旁路電容的放置也很講究。為了抑制高頻噪聲，最好使需要旁路的信號(hào)線直接通過(guò)旁路電容走線。在圖12a中，與電容串聯(lián)的那段線條會(huì)增加ESR和ESL，增大了高頻阻抗，使電容作為高頻旁路的效果大打折扣。更好的布線方式是使線條直接通過(guò)電容，這樣，線條的離散ESR和ESL將協(xié)助電容產(chǎn)生更好的濾波效果。
圖12. 較差的旁路布線(a)使線條電感和電阻附加到電容中。而在較好的布線中(b)，線條的分布參數(shù)加強(qiáng)了電容的濾波效果。
有些節(jié)點(diǎn)不能采用旁路措施，因?yàn)檫@樣做會(huì)改變其頻率特性。一個(gè)例子就是用于反饋的電阻分壓器。大多數(shù)開(kāi)關(guān)電源中，電阻反饋分壓器將輸出電壓分壓至誤差放大器可以接受的電平。加到這個(gè)反饋節(jié)點(diǎn)的大容量旁路電容和節(jié)點(diǎn)上的電阻構(gòu)成了一個(gè)極點(diǎn)。因?yàn)榉謮浩魇强刂骗h(huán)的一部分，這個(gè)極點(diǎn)就成為環(huán)路特性的一部分。如果極點(diǎn)頻率不超過(guò)轉(zhuǎn)折頻率的一個(gè)十倍頻程，它所產(chǎn)生的相位或增益效應(yīng)將給環(huán)路穩(wěn)定性帶來(lái)不利影響。
電感
開(kāi)關(guān)電源中經(jīng)常要快速切換電流。這些電流通路上的分布電感就會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲電壓，它們會(huì)耦合到敏感電路中或給元件造成電壓應(yīng)力。承載直流電流的導(dǎo)線很少有問(wèn)題，因?yàn)橹绷鞑粫?huì)產(chǎn)生電壓尖刺，或向其它導(dǎo)線耦合交流干擾。舉例來(lái)講，一條與電感串聯(lián)的導(dǎo)線一般不會(huì)有問(wèn)題，因?yàn)榉植茧姼幸入姼械臄?shù)值小得多。大值串聯(lián)電感會(huì)阻止不連續(xù)電流通過(guò)。
如果一個(gè)電路產(chǎn)生了不連續(xù)電流，就要設(shè)法防止其通過(guò)大的環(huán)路。電流環(huán)越大其電感量越大，隨之而產(chǎn)生的磁場(chǎng)輻射也就越大。這個(gè)原則同樣適用于元件的布局，因?yàn)殡娏鹘?jīng)常是在有源器件之間進(jìn)行切換的，例如晶體管和二極管。
考慮圖1所示的降壓型轉(zhuǎn)換器。當(dāng)高端MOSFET開(kāi)關(guān)(N1)打開(kāi)時(shí)，電流通過(guò)輸入、N1、電感流向負(fù)載。N1關(guān)斷后，二極管(D)接續(xù)電流直到同步整流器(N2)打開(kāi)。接著由N2傳導(dǎo)電流直到它被關(guān)斷，然后，由二極管接續(xù)電流，一直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期啟動(dòng)。注意到流過(guò)電感和輸出電容的電流是連續(xù)的，因此不會(huì)是噪聲的主要來(lái)源。如果N1、N2和D彼此離開(kāi)一定距離放置，那么在它們之間迅速切換的電流一定會(huì)在周?chē)h(huán)境中引發(fā)快速變化的電磁場(chǎng)。因?yàn)楦袘?yīng)電壓正比于磁場(chǎng)的變化速率(dΨ/dt)，迅速波動(dòng)的磁場(chǎng)就會(huì)產(chǎn)生大幅度的電壓尖峰。
需要注意，高頻電流將由輸入端電源和輸出端負(fù)載來(lái)承載。它應(yīng)該由輸入和輸出電容旁路掉；否則的話，它們就會(huì)通過(guò)輸入或輸出連接線(或兩者同時(shí))，參見(jiàn)傳導(dǎo)噪聲部分。輸入和輸出旁路電容的阻抗很重要。它們應(yīng)該有足夠大的容量以保持比較低的輸入和輸出阻抗，但比起容量較小的陶瓷電容，較大容量的電容(例如鉭或鋁電解)具有更高的ESR和ESL。所以，必須確保電容在所關(guān)心的頻率下具有足夠低的阻抗。
一種選擇是將陶瓷電容和電解或鉭電容相并聯(lián)，因?yàn)樘沾呻娙菰诟哳l下具有較低的阻抗。不過(guò)，多數(shù)情況下，這種方式不如將多個(gè)電解或鉭電容并聯(lián)，以降低ESR和ESL，或者并聯(lián)多個(gè)陶瓷電容以增加總電容量。
本文來(lái)源于Maxim。
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