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技術專題
線路板設計通過布局和濾波降低SMPS中的噪聲
開關電源（SMPS）比線性穩壓器更為復雜，但它們是有價值的線路板設計工具。它們提供了更高的效率，節省了能量并使電路保持較低的溫度。但是，在設計階段必須格外小心，以確保它們按預期運行。
在為線路板設計SMPS時，將電路中的噪聲降至最低非常重要。具體來說，我們要最小化電壓紋波和EMI。雖然列出的大多數示例都適用于降壓（降壓）轉換器，但原理仍然適用于升壓（升壓）轉換器。
電壓紋波是指位于穩壓直流輸出上方的小交流電壓。目的是使該電壓紋波的幅度最小化，以便為電路的其余部分提供盡可能干凈的直流電源。
噪聲過多的電源可能會導致數字電路崩潰，或給模擬電路的輸出增加噪聲。電壓紋波還可能使設備靠近其最大工作電壓，從而縮短了器件的可靠性和壽命。
多少波紋太多？
紋波閾值取決于電源供電。對于大多數設備來說，50mV至100mV可能是可接受的范圍，但有些設備更敏感。圖1顯示了來自i.MX 6ULZ嵌入式Linux處理器數據表的頁面。
圖1.恩智浦半導體IMX6ULZCEC
當A7內核以900MHz運行時，VDD_ARM_CAP軌應設置為1.275。但是，它將在1.3V（高25mV）或1.25V（低25mV）下工作。該干線上可接受的電壓紋波為25mV。務必始終檢查所有零件的數據表，并確保在電源電壓和最大值之間留有足夠的裕量，這一點很重要。
電磁干擾（EMI）是指可能導致功能線路板中出現問題的有害電磁輻射。SMPS的高頻開關使其表現得像輻射天線，發出電信號。這些輻射會干擾其他設備和無線通信。
SMPS電路的布局
正確的布局對于SMPS電路的最佳性能至關重要。快速開關電流會產生交變磁場，這可能會產生一些不利影響。SMPS中的開關電流進入的環路稱為“熱環路”。我們試圖最小化該環路的大小，以限制開關電流產生的EMI。
圖2.降壓轉換器中的熱環路。
降壓轉換器電路的熱環路穿過電感器，輸出電容器，再經過接地層回到器件接地和輸入電容器接地。使熱環路盡可能小的最簡單方法是使三個接地端（輸入端蓋，設備端和輸出端蓋）盡可能靠近。它們應在與組件相同的層上與固體接地層相連，以使路徑盡可能短，并且劇烈的開關電流會完全避開內部PCB接地層。
保持交換節點盡可能小也很重要。在降壓轉換器中，這是IC和電感器之間的走線，在此處電流以開關頻率接通和關斷。該節點是EMI的主要來源。開關節點的行為就像輻射天線一樣，通過限制走線的物理尺寸，可以限制產生的輻射。
許多制造商（以及將組件焊接到PCB的任何人）都會建議在組件焊盤和周圍的接地層之間放熱。這樣可使熱量積聚在SMD焊盤或通孔中，從而使焊料可以在那里熔化而無需加熱整個接地層。在輸入端蓋，輸出端蓋和設備的接地墊上不包括散熱裝置可能是有利的。當我們想要三個接地連接之間的路徑盡可能牢固時，散熱措施會阻礙電流路徑。
圖3.帶有散熱片的THT墊。
SMPS在PCB上的位置也是一個重要的決定。SMPS電路應放置在盡可能靠近電路板電源輸入的位置，并且最好遠離電路板上的其他信號。
盡管有些設計人員建議使用“電源地”并將SMPS與電路的其余部分完全分開，但這通常會引起比解決方案更多的問題，通常僅需使電源與其余組件保持一定距離即可。在板子中間任意放置一個降壓轉換器，靠近敏感信號（例如高速數字或安靜的模擬信號）會導致外圍電路的性能問題。電源的噪聲會與其他信號耦合，并破壞它們正在傳輸的數據。
過濾輸出以最小化紋波
開關電源在其輸出上總是會出現一些紋波，但是有簡單的方法可以將紋波減小到最低。通過使用額外的電容和鐵氧體磁珠對輸出進行濾波，可以消除電路中的大量高頻噪聲，同時使其更有能力應對突然的大電流需求。
該技巧有助于降低噪音，但也是進行原型制作的好工具。在調試和電路板啟動期間，在SMPS輸出和負載之間使用鐵氧體磁珠（或什至0歐姆電阻）之類的串聯元件可能非常有幫助。如果電壓軌不穩定（或根本不存在），可能很難判斷是調節器還是負載。卸下串聯元件將使調節器與負載分離。這提供了檢查虛負載（例如接地電阻）的電壓輸出的機會，以及利用外部電源為負載供電的機會。這些實驗之一有望使罪魁禍首是誰，以及需要采取什么措施來解決它。
SMPS噪聲和紋波綜述
本文介紹了SMPS電路中噪聲的概念，并闡明了設計人員通常致力于緩解噪聲的不同類型。電壓軌上的紋波對每個設備供電有不同的要求，其中一些比其他設備更敏感。