DC-DC轉換器開關噪聲：產生機理與抑制策略

開關噪聲是由電路中的快速通斷切換所引發(fā)的高頻振鈴現(xiàn)象，在高速工作的器件中尤為常見。盡管通過優(yōu)化電路板布線能夠降低這類噪聲，但對于泄漏的輻射噪聲，仍需采取專門的抑制措施。此外，平行布線之間會產生串擾，進而導致感應噪聲。本文以DC-DC轉換器為例，詳細闡述開關噪聲的產生機理、在電子電路設計中對性能等方面的影響，以及針對這些問題的有效解決方案。

什么是開關噪聲?

開關噪聲是電子電路及IC工作過程中，由不必要的電流波動引發(fā)的高頻振鈴。這類噪聲常見于DC-DC轉換器、DC轉換器等高速運行的半導體器件中。開關噪聲可能降低電路穩(wěn)定性，還可能引發(fā)電磁兼容性(EMC)中的電磁干擾(EMI)相關問題。

開關噪聲的產生原因

開關噪聲的常見原因是由開關電源等可高速通斷的半導體器件工作所導致。由此會產生急劇的電流或電壓變化，進而引發(fā)紋波與噪聲。

噪聲對策(噪聲消除與降低)

針對開關噪聲的降低與消除，可采取以下幾項對策：

使用： 通過低通濾波器或濾波器，去除不必要的頻率成分。

配置： 在電路的關鍵位置配置器，吸收電壓波動。

電路板布局的噪聲對策： 盡量縮短布線長度，通過優(yōu)化布局降低開關噪聲(傳導噪聲)。

緩沖電路： 使用緩沖電路吸收振鈴，從而可以降低開關噪聲(輻射噪聲)。

自舉電路的噪聲對策： 插入，能夠降低開關噪聲(輻射噪聲)。

噪聲對策的重要性

通過采取有效的開關噪聲對策，電路的工作會更加穩(wěn)定，性能也能得到提升。尤其在電子設備及工業(yè)領域的應用中，開關噪聲對策更是必不可少的。

本文后續(xù)將以DC-DC轉換器為例，詳細講解所產生的共模噪聲和差模噪聲的相關原因及對策，此外還會深入說明串擾的定義、以及緩沖電路等的輻射噪聲應對方法。理解這一系列內容后，便能實施更高級別的噪聲對策。

DC-DC轉換器中開關噪聲的產生原理

開關噪聲的產生原因，是電子電路或電源IC工作過程中出現(xiàn)的不必要電流波動，進而引發(fā)高頻振鈴。下面將以DC-DC轉換器為例，對開關噪聲進行說明。

首先，我們將借助型降壓DC-DC轉換器的等效電路，確認開關電流的路徑。

設高邊開關為SW1，低邊開關為SW2。當SW1導通(SW2斷開)時，電流路徑為：輸入電容器→SW1→電感L→輸出電容器。當SW2導通(SW1斷開)時，電流路徑為：SW2→電感L→輸出電容器。下圖展示了這兩種電流路徑的差異，每次開關導通/斷開(ON/OFF)時，紅色線路中的電流發(fā)生劇烈變化。由于該回路的電流變化十分陡峭，電路板布線的電感會在回路內引發(fā)高頻振鈴。

布線存在布線電感，通常每1mm約有1nH的電感量。此外，電容器存在等效串聯(lián)電感(ESL)， 的各引腳間則存在寄生電容。受這些因素影響，開關節(jié)點會產生紅框圖示所示100MHz至300MHz的振鈴。產生的電流與電壓可通過以下兩個公式計算得出：

這種振鈴會以高頻開關噪聲的形式產生多種影響。雖然需要采取應對措施，但由于電源IC本身無法去除電路板的寄生分量，因此需通過電路板布線布局及去耦電容器來應對。關于電路板布局，在DC-DC轉換器的“電路板布局”章節(jié) 會展開詳細說明。

差模噪聲與共模噪聲：原因及對策

開關噪聲所屬的電磁干擾(EMI)主要分為“傳導噪聲”和“輻射噪聲”兩大類。

傳導噪聲可進一步分為兩類：一類是“差模噪聲”，又稱“常模噪聲”。這兩種稱呼有時可根據條件區(qū)分使用，但本文中將二者視為同一概念。另一類是“共模噪聲”。下面結合圖示進行說明。由于本文圍繞電源相關內容展開，因此圖示以“將帶有電路的印刷電路板()裝入外殼，并由外部供電”為例。

需特別注意的是，即使在相同條件下，共模噪聲引發(fā)的輻射強度也遠大幅高于差模噪聲。

差模(常模)噪聲與共模噪聲

差模噪聲是指噪聲源串聯(lián)于電源線路中，噪聲電流與電源電流流向一致，且產生于電源線路之間的噪聲。由于往返方向相反，故稱為“差模(Differenal mode)”。

噪聲電壓產生于電源線路之間

共模噪聲是指通過雜散電容等泄漏的噪聲電流，經由大地回流至電源線路的噪聲。由于電源正極(+)與負極(-)側的噪聲電流流向相同，因此被稱為“共模(Common mode)”噪聲。這類噪聲不會在電源線路之間產生噪聲電壓。

電源線路與基準GND之間會產生噪聲電壓

電源正極、負極側的噪聲電流流向相同

如前所述，這些開關噪聲屬于傳導噪聲。但由于噪聲電流會在電源線路中流動，因此會產生噪聲輻射。

由差模噪聲引起的輻射的電場強度Ed可通過左下方的公式來表示。Id為差模中的噪聲電流，r為到觀測點的距離，f為噪聲頻率。差模噪聲會產生噪聲電流環(huán)，因此環(huán)路面積S是非常重要的因素。如圖和公式所示，假設其他因素固定，環(huán)路面積越大則電場強度越高。

由共模噪聲引起的輻射的電場強度Ec可通過右下方的公式來表示。如圖和公式所示，線纜長度L是非常重要的因素。

這里，為了確認各類噪聲引發(fā)輻射的特征，我們嘗試代入實際數(shù)值計算電場強度(*1)。所有條件保持完全一致，電場強度的觀測點用藍色圓點來表示。

*1：公式出處——《EMC工學詳解 實用降噪技法》，作者：亨利?W?奧特(Henry W. Ott)，東京電機大學出版社

差模噪聲的電場強度計算

假設頻率100MHz、1μA的差模噪聲電流，在面積為20cm²的回路中流動。

則在距離1m處(90度方向)的電場強度計算如下：

共模噪聲的電場強度計算

假設頻率100MHz、1μA的共模噪聲電流，在20cm的線纜中流動。

則在距離1m處(90度方向)的電場強度計算如下：

該計算結果的核心要點是：即便噪聲電流值相同，共模噪聲引發(fā)的輻射也遠比差模噪聲強烈(本示例中約為100倍)。無論如何，若這些傳導噪聲與輻射噪聲(即電磁干擾EMI)超出允許范圍，就必須采取噪聲對策。尤其需要注意的是，在考慮輻射噪聲對策時，針對共模噪聲的防控尤為關鍵。

關于具體對策，后續(xù)將按順序逐步說明。其中最基礎的原則性對策如下：對于差模噪聲，需減小回路面積S(例如將線纜改為絞合線)，對于共模噪聲，則應盡量縮短線纜長度。但實際應用中，往往會受到安裝布局或材料等因素的限制，因此需考慮增設濾波器等解決方案。

本節(jié)核心目標是讓讀者先理解噪聲的種類與基本特性。

什么是EMC?

“EMC(電磁兼容性)”是什么?關于其與“EMI(電磁干擾)”“EMS(電磁敏感性)”的含義區(qū)別及使用場景差異，下文進行了詳細說明。

串擾(平行布線間產生的感應噪聲)

串擾指的是在平行布置的布線之間，或噪聲非預期相互傳遞的現(xiàn)象。這一問題在及領域也被稱為“漏話”，尤其在模擬電話中曾是極為常見的問題。此外，該現(xiàn)象還可稱為“混線”或“串音干擾”。

這種不必要的信號傳遞，是由布線間存在的雜散(寄生)電容及互感引起的。比如說，在印刷電路板(PCB)的薄膜布線等場景中尤為顯著。此類場景下的信號傳遞通常被歸為“感應噪聲”。

串擾現(xiàn)象的根本原因有兩點：一是雜散(寄生)電容導致的靜電，二是互感引發(fā)的電磁耦合。本文將詳細講解這些成因機制、具體應對方法，以及為幫助理解而簡化的等效電路。

兩種情況均給出了噪聲電壓Vn的公式。該電壓在噪聲源布線(布線1)向鄰近布線(布線2)耦合時產生。R為電阻值、C為電容值、M為互感系數(shù)、Vs為噪聲源電壓、Is為噪聲源電流。

需明確的是平行布線之間會產生串擾。此外，當布線相互垂直時，寄生電容及互感會顯著減小。

電容器的抑制開關噪聲對策

在對開關噪聲的基本理解逐步加深后，接下來我們詳細學習實際的噪聲對策。其中，電容器在噪聲抑制中是非常重要的元件。

在“使用電容器的開關噪聲對策”中，詳細介紹了電容器的阻抗特性，以及ESR、ESL等參數(shù)對噪聲的影響機制。此外，還介紹了去耦電容器的有效使用方法，以及針對高頻噪聲抑制的特殊注意事項。

在DC-DC轉換器的開關噪聲抑制中，輻射噪聲(噪聲電場強度)是另一項必須考慮的關鍵內容。輻射噪聲由開關導通與關斷波形的上升沿/下降沿斜率及振鈴引起，其頻率帶寬約為100MHz～300MHz。

開關電源電壓上升沿與下降沿的振鈴，主要由MOSFET與輸入電容器之間的布線電感導致。通過優(yōu)化輸入電容器的布局涉及與布線方式，可有效降低此類噪聲。

通過增設緩沖電路的開關噪聲對策

當DC-DC轉換器電路的輻射噪聲超出設備必須滿足的合規(guī)標準時，可采取平緩開關波形和增設緩沖電路的方法。

增設緩沖電路是降低開關噪聲中廣泛應用的方法。針對開關節(jié)點的噪聲降低，需在輸出端配置緩沖電路;而針對輸入端噪聲，則需在輸入端增設緩沖電路。本示例中，通過在開關節(jié)點與接地端之間增設電阻與電容，利用電阻消耗開關振鈴產生的高頻能量，從而實現(xiàn)振鈴抑制效果。

但是，增設緩沖電路會產生額外損耗。若為提升抑制效果而增大電容容量，電阻需滿足相應的功率耐受要求。以下是緩沖電路損耗的計算公式及示例。

緩沖電阻10Ω、煥榮電容1000pF、輸入電壓12V、振蕩頻率1MHz時的電阻允許損耗：

*電阻額定功率需選用 MCR18(3216)系列：0.25W及以上規(guī)格

自舉電路的噪聲對策

開關噪聲的另一個對策是“平緩開關波形的方法”。

采用Nch MOSFET作為高邊開關的IC，大多配置有BOOT引腳。由于該引腳與開關節(jié)點相連，通過在引腳處插入電阻，可平緩高邊MOSFET導通時的電壓上升沿，進而抑制開關噪聲。

總結：開關噪聲對策與電路板布局的重要性

本頁面詳細闡述了開關噪聲的相關細節(jié)，以及DC-DC轉換器中開關噪聲抑制對策的核心要點。其中關鍵原則是“盡量縮短布線長度”，這一措施對降低開關噪聲具有顯著作用。

若設計的電路及選定的本身無問題，但實際使用中未能達到預期性能，甚至出現(xiàn)無法正常工作的極端情況，此時應優(yōu)先檢查電路板布局。此類問題在工程實踐中并不少見，需特別注意。

為最大限度減少二次設計，提升包含電路板設計在內的整體設計質量至關重要。在布局設計中充分考量開關噪聲的核心防控要點，是確保設計成功的關鍵所在。