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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,50mV100mV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。 

1.恩智浦半導體IMX6ULZCEC 

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

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。

3.帶有散熱片的THT墊。 

SMPSPCB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。 

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