理解并降低dc/dc開關(guān)式轉(zhuǎn)換器的接地噪聲

dc/dc開關(guān)式電源轉(zhuǎn)換器的物理干擾眾人皆知，除非系統(tǒng)和電路圖都經(jīng)過了精心設(shè)計(jì)。這些轉(zhuǎn)換器會對電氣地注入多余的電荷，產(chǎn)生虛假的數(shù)字信號、翻轉(zhuǎn)的雙倍時(shí)鐘、電磁干擾、模擬電壓誤差，還可能是有害的高電壓。隨著這類設(shè)計(jì)復(fù)雜性的增加以及應(yīng)用的密集使用，物理電路的實(shí)現(xiàn)已開始在系統(tǒng)的電氣完整性中扮演一個(gè)重要的角色。為解決這些問題，你需要了解如何減少兩類主要的地噪聲源。

地噪聲問題一

圖1是一個(gè)有恒定負(fù)載電流的理想降壓轉(zhuǎn)換器。開關(guān)S1和S2作來回轉(zhuǎn)換，斬?cái)嘀祲弘姼泻徒祲弘娙萆系妮斎腚妷?。電感電流或電容電壓都不能突然地改變，而?fù)載電流是恒定的。所有開關(guān)電壓與電流應(yīng)分別成功地跨過降壓電感，或通過降壓電容，因?yàn)橐粋€(gè)理想的降壓轉(zhuǎn)換器不會產(chǎn)生地噪聲。但有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者知道，降壓轉(zhuǎn)換器是一個(gè)臭名昭著的噪聲源。這意味著，圖1中的電路缺少了一些關(guān)鍵的物理元件。

圖1，在一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器電路中，電感器的電流不能瞬時(shí)改變，因此難以判斷一個(gè)理想降壓轉(zhuǎn)換器中的地彈跳來源。

無論何時(shí)，只要有電荷移動，就會產(chǎn)生一個(gè)磁場。一根導(dǎo)線、一只電阻、一只晶體管、一個(gè)超導(dǎo)體，或一個(gè)電容極板間的電流都會產(chǎn)生磁場。磁通量是通過一個(gè)電流環(huán)路面積的磁感應(yīng)強(qiáng)度，它等于以直角切割環(huán)路面積的磁感應(yīng)強(qiáng)度與環(huán)路面積的乘積：φB=B×A，其中φB是磁通量，B是磁感應(yīng)強(qiáng)度，而A是電流環(huán)路面積。以某個(gè)距離環(huán)繞一根導(dǎo)線的磁感應(yīng)強(qiáng)度與導(dǎo)線中的電流成正比，B=μoI/2πr，其中r為距離。

電子元件都有長度，電荷必須沿各個(gè)導(dǎo)線段，從一個(gè)器件移到另一個(gè)器件。移動的電荷就產(chǎn)生了一個(gè)磁場，于是我們可以改進(jìn)圖1中的電路。圖2是一個(gè)簡單降壓轉(zhuǎn)換器的更好模型。圖2中，導(dǎo)線仍保持理想狀態(tài)，不過電流在從一個(gè)電子元件移動到另一個(gè)元件時(shí)，必須在每段中流過一個(gè)距離。當(dāng)這個(gè)電荷流動時(shí)，通過S1和S2開關(guān)的循環(huán)，磁場環(huán)繞著通電的導(dǎo)線，并有磁通通過。

圖2，變化的磁通會產(chǎn)生電壓(a)。當(dāng)一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換時(shí)，變化的電流回路路徑產(chǎn)生一個(gè)變化的磁通，并導(dǎo)致地彈跳(b)。

S1和S2電流回路面積的變化是開關(guān)轉(zhuǎn)換器地噪聲的第一個(gè)主要來源。在每個(gè)開關(guān)周期中， 輸入電壓-S1-地這個(gè)回路中的磁通都會增加和衰減。這種變化的磁通會在該回路的各個(gè)地方感應(yīng)出電壓，包括理想的接地回路線。沒有任何銅箔(哪怕是一個(gè)超導(dǎo)體)能夠消除這種感應(yīng)電壓。唯一有用的方法是降低變化的磁通。

變化的磁通有三大要素：變化率、磁場強(qiáng)度和回路面積。由于時(shí)鐘頻率和最大輸出電流可能有設(shè)計(jì)上的要求，因此盡量減小回路面積就成為最佳方法。感應(yīng)系數(shù)與磁通量成正比。

圖3是圖2的一個(gè)電氣模型，其中寄生電感LP1中的電流變化產(chǎn)生了地噪聲，而寄生電感LP2中的恒定電流則沒有貢獻(xiàn)。雖然圖3以一種類似的方式表述了問題，但它是圖2中物理增強(qiáng)模型的一個(gè)不良替代品。圖3顯示了LP1和 LP2上的寄生感應(yīng)電壓，而這種結(jié)構(gòu)會在一個(gè)有磁通變化的回路各處都感應(yīng)出電壓。不過，這個(gè)電路部件仍能用于展示如何降低感應(yīng)的地噪聲。

圖3，LP1中變化的電流產(chǎn)生了地彈跳，而LP2中的恒定電流則沒有。

在圖3中，地回路電流流過LP1并發(fā)生變化，它造成了一種電壓彈跳問題。仔細(xì)布放輸入電容可以減小寄生磁通面積，并讓變化的降壓電流走一個(gè)不包含在接地回路的路徑(圖4)。此時(shí)，寄生電感LP1和LP2中的電流是恒定的，因此地電壓穩(wěn)定不變。磁通面積的減小亦成比例地降低了EMI，以及所有其它有害的感應(yīng)回路電壓。

圖4，仔細(xì)地布放輸入電容，盡量減小變化回路的面積，并仔細(xì)地布放地回路的變化電流路徑,可以消除地彈跳。

開關(guān)轉(zhuǎn)換器接地噪聲的第一個(gè)重要來源是磁通面積不斷變化的結(jié)果。良好的PCB設(shè)計(jì)通過走線的布放和仔細(xì)布置的旁路電容，能盡量減少變化的電流回路面積，以及接地回路路徑中變化的電流。

地噪聲問題二

第二個(gè)地噪聲的主要來源是寄生的電感器電容(圖5)。一個(gè)電容上的電壓不能夠瞬時(shí)改變，而一個(gè)電感上的電流則不能瞬時(shí)改變。因此，LX結(jié)點(diǎn)上的電壓變化就直接耦合到寄生降壓電感器電容CL以及降壓濾波器電容Cbuck，出現(xiàn)在寄生接地電感LP1和LP2上。

圖5，LX結(jié)點(diǎn)電壓的變化通過寄生降壓電感器的電容CL將電荷泵出，并進(jìn)入寄生接地路徑電感器LP1和LP2，產(chǎn)生地噪聲。

但開始是沒有電荷流動的，在下一個(gè)瞬間，所有這些元件上都建立起電流，直到寄生降壓電感器的電容能量ECL=1/2CLVLX2轉(zhuǎn)換為導(dǎo)線的寄生磁場，ELP=1/2LPI2CHANGINGMAX，其中，LP是所有寄生回路電感的總和。然后，這個(gè)有害的能量在電場和磁場之間來回傳送，直到輻射出去或耗散在阻性元件上。

地噪聲振蕩的峰值電壓和持續(xù)時(shí)間都是問題。峰值電壓在結(jié)點(diǎn)VGB測量，它是LX結(jié)點(diǎn)電壓變化、寄生的降壓電感器電容以及附加寄生走線電容的函數(shù)。一個(gè)大的寄生降壓電感器的電容會存儲更多能量，因此采用一個(gè)較小值是一個(gè)比較好的方案。選擇了降壓電感器的值以及額定電流后，要選擇有最大自諧振頻率的電感，以限制CL的容量。電感器的自諧振頻率表示為1/[2π√(LBUCKCL)]。自諧振頻率加倍可降低寄生的電感器電容，因而地噪聲能量可降低至其四分之一。

當(dāng)性能優(yōu)先于成本考慮時(shí)，用兩只串聯(lián)電感替換圖5中的單只降壓電感，每只電感的值是降壓電感值的一半，而總電感值保持不變(圖6)。對于制造廠的系列電感產(chǎn)品，寄生電容通常與額定電感值成正比，因此半值電感的寄生電容也只有一半。采用串聯(lián)電感時(shí)，它們的電感值相加，而寄生電容值則是倒數(shù)值的和的倒數(shù)，從而降低了總的寄生電容。對于兩個(gè)串聯(lián)的半值電感，總電感值為LbuckNEW ，而總寄生電容將降低至降壓電感器電容的四分之一。這樣，降低的寄生電感就減少了地的彈跳。

圖6，兩個(gè)串聯(lián)電感有相同的電感值，但寄生電容只有四分之一，泵出電荷及因此造成的地彈跳都得到減少。

通過研究各種模型，我們了解了地噪聲的兩個(gè)主要來源和機(jī)制，這兩種地噪聲在dc/dc開關(guān)轉(zhuǎn)換器中無處不在，工程師可以在設(shè)計(jì)的早期階段、元件選擇以及布局時(shí)盡量降低這些效應(yīng)，就能減少以后生產(chǎn)中的麻煩并避免從頭設(shè)計(jì)。