正确的布局和元件选择是控制EMI的关键
时间：12-06
来源：互联网
点击：
摘要：理解电压调节器的物理特性对于设计符合EMI和EMC兼容性要求的电源系统至关重要。开关调节器（降压、升压、反激以及SEPIC拓扑结构）的物理特性对于元件选择、电磁设计以及PCB布局具有特殊的指导意义。漏感、ESR和ESL的寄生效应是优化电路性能的关键所在。
大多数便携设备包含电压调节器或其它类型的电源电路，许多非便携式设备中使用的小尺寸光刻技术IC要求较低的供电电压，也必须由特定的电源电路来提供。然而许多设计者并不完全了解，电压调节器和电源电路的选择对于电池寿命、电磁干扰/电磁兼容（EMI/EMC）规范的兼容性、甚至产品的基本性能能否达到设计要求都有着重大影响。以下就有关电源电路中电气噪声的产生和传播机制及物理原理进行讨论。
电压调节器
最为普通的功率转换器就是电压调节器。它可以接受一个在某给定范围内变动的输入电压，并产生一个不变的输出电压。电压调节器主要包含两大类：开关型和所有其它类型（主要是线性和并联型）。不同于开关型调节器，线性和并联型的适用范围很有限，因为其输出电压必须保持低于输入电压。另外，大多数开关调节器的效率也优于对应的线性或并联型调节器。不过，线性/并联型调节器的低噪声和简单性使它们相对于开关调节器更有吸引力。
最简单的电压调节器是并联型调节器，它通过调节流过电阻的电流，使输入电压下降到一个稳定的输出电平。齐纳二极管具有类似功能，但齐纳管中的功率消耗过大，且负载调整（输出电压随负载电流的变化）很差。有些并联调节器允许利用分压网络设定稳定电压，但通常是作为一个功能模块出现在更为复杂的调节器或电源中。一般来讲，并联调节器适合于负载电流变化不大的低功耗系统。然而，这种狭窄的应用范围可以通过增加一个有源调整元件（通常是一个双极晶体管）而得以扩展，此时的并联调节器就转变为线性调节器。
线性电压调节器
线性电压调节器利用一个有源调整元件（双极型或MOSFET）将输入电压降低至稳定的输出电压。这类器件中，低压差型（LDO）在过去的十年中已十分流行。压差指维持输出稳定所需的最小电压差异（输入和输出之间）。降落电压高达1V的调节器一度被称为LDO，但更典型的压差值在100mV至300mV之间。
线性调节器的输入电流接近于输出电流，它的效率（输出功率除以输入功率）是输出/输入电压比的函数。因此，压差是一个非常重要的性能，因为更低的压差意味着更高的效率。如果输入电压高出输出很多，或者它在很宽的范围内变动，那么就很难获得比较高的转换效率。除此之外LDO调节器还可作为一道屏障来隔离开关调节器产生的噪声（进一步讨论）。在此用途中，LDO调节器的低压差特性有利于改善电路的总体效率。
开关调节器
如果线性或并联型调节器的性能不能满足应用要求，那么设计者就必须转而考虑开关型调节器。然而，伴随着性能的改进也带来一些不足之处，例如更大的尺寸和更高的成本，更敏感于（并产生）电气噪声，以及复杂程度的增加等等。
开关调节器或电源所产生的噪声以传导或辐射的形式出现。传导型噪声表现为电压或电流形式，它们还可进一步分类为共模或差模传播方式。更为复杂的是，连接线上有限的阻抗会将电压传播转换为电流传播，反之亦然，并且差模传播也会产生出共模传播噪声，反之亦然。
一般来讲，你可以降低上述一种或多种传播类型的噪声使电路得到优化。传导型噪声对于固定系统的影响往往比对便携式系统更为严重。因为便携式设备依靠电池工作，它的负载和电源没有传播传导型噪声的外部连接。
为了理解开关调节器中的噪声源，必须首先了解其工作原理。对于各种类型开关调节器的描述超出了本文的涉及范围。不过，基本上各种开关调节器都是利用有源元件（晶体管和二极管）在储能元件（电感和电容）之间往复传送电流，最终实现源端电压/电流到负载端电压/电流的转换。为方便描述，采用MAX1653 DC/DC转换控制器构成典型的同步整流、降压型转换器（图1）。
正常工作期间，该电路在高端开关（N1）导通时从输入向输出传送电流，而在N1关断、同步整流器（N2）导通时由电感继续传送。粗略假定所有元件都是理想的，可以得到近似一阶的电流和电压波形（图2），这些元件的寄生效应将在后续部分中考虑进来。
由于N1仅在一部分时间内导通，从源端和输入电容（CIN）的位置看来电流是不连续的。CIN在N1导通时提供超出部分电流（IL - IINPUT），而在N1关断时由输入电流储存电荷。如果CIN为无限大，且具有零等效串联电阻（ESR）和零等效串联电感（ESL），它两端的电压将在上述充电和放电周期中保持恒定。当然，实际电压会在每个周期间波动。电流脉冲根据电导率关系，以等于或高于转换器开关频率的速度，在CIN和输入源之间进行分配。
降低这种传导型噪声的一种最直接的方法是：在输入端连接低阻抗旁路电容。另外一种灵巧一点的办法更为节省成本和电路板空间：增加电源和转换器之间的阻抗，并确保必要的直流电流能够不受阻碍地通过。最佳的阻抗元件是电感器，但应确保转换器的输入阻抗在最高至环路的转折频率时都保持较低的水平（大多数DC-DC开关转换器的环路转折点位于10kHz到100kHz间）。否则的话，输入电压的波动会导致输出电压不稳定。
输出电容（COUT）上的纹波电流要比CIN上的低得多，不但幅度较低，而且（不同于输入电容）电流是连续的，因此也就具有比较少的谐波成分。通常，每匝线圈都被一层绝缘物质覆盖，这就在各匝线圈之间形成了一个小的电容。这些杂散电容串联叠加后形成一个和电感相并联的小等效电容，它提供了一条将冲击电流传导至COUT和负载的通路。这样，开关节点处（LX）电压波形的不连续跳变沿就会向COUT和负载传送高频电流，结果常常是在输出电压上形成毛刺，能量分布于20MHz至50MHz范围。
这种类型转换器的负载常常是对于传导噪声敏感的某种形式的微电子电路，不过幸运的是，转换器的传导噪声在输出端比起输入端来更容易控制。和输入端一样，输出传导噪声也可以利用低阻抗旁路或第二级滤波来加以控制，第二级（后端）滤波器的使用应当谨慎。输出电压是控制环路中的一个控制变量，输出滤波器给环路增益附加了延时或相移（或两者），有可能使电路不稳定。如果一个高Q值LC后端滤波器被置于反馈点之后，电感的电阻将会降低负载调整特性，并且瞬态负载电流会引起输出振荡。
大多数便携设备包含电压调节器或其它类型的电源电路，许多非便携式设备中使用的小尺寸光刻技术IC要求较低的供电电压，也必须由特定的电源电路来提供。然而许多设计者并不完全了解，电压调节器和电源电路的选择对于电池寿命、电磁干扰/电磁兼容（EMI/EMC）规范的兼容性、甚至产品的基本性能能否达到设计要求都有着重大影响。以下就有关电源电路中电气噪声的产生和传播机制及物理原理进行讨论。
电压调节器
最为普通的功率转换器就是电压调节器。它可以接受一个在某给定范围内变动的输入电压，并产生一个不变的输出电压。电压调节器主要包含两大类：开关型和所有其它类型（主要是线性和并联型）。不同于开关型调节器，线性和并联型的适用范围很有限，因为其输出电压必须保持低于输入电压。另外，大多数开关调节器的效率也优于对应的线性或并联型调节器。不过，线性/并联型调节器的低噪声和简单性使它们相对于开关调节器更有吸引力。
最简单的电压调节器是并联型调节器，它通过调节流过电阻的电流，使输入电压下降到一个稳定的输出电平。齐纳二极管具有类似功能，但齐纳管中的功率消耗过大，且负载调整（输出电压随负载电流的变化）很差。有些并联调节器允许利用分压网络设定稳定电压，但通常是作为一个功能模块出现在更为复杂的调节器或电源中。一般来讲，并联调节器适合于负载电流变化不大的低功耗系统。然而，这种狭窄的应用范围可以通过增加一个有源调整元件（通常是一个双极晶体管）而得以扩展，此时的并联调节器就转变为线性调节器。
线性电压调节器
线性电压调节器利用一个有源调整元件（双极型或MOSFET）将输入电压降低至稳定的输出电压。这类器件中，低压差型（LDO）在过去的十年中已十分流行。压差指维持输出稳定所需的最小电压差异（输入和输出之间）。降落电压高达1V的调节器一度被称为LDO，但更典型的压差值在100mV至300mV之间。
线性调节器的输入电流接近于输出电流，它的效率（输出功率除以输入功率）是输出/输入电压比的函数。因此，压差是一个非常重要的性能，因为更低的压差意味着更高的效率。如果输入电压高出输出很多，或者它在很宽的范围内变动，那么就很难获得比较高的转换效率。除此之外LDO调节器还可作为一道屏障来隔离开关调节器产生的噪声（进一步讨论）。在此用途中，LDO调节器的低压差特性有利于改善电路的总体效率。
开关调节器
如果线性或并联型调节器的性能不能满足应用要求，那么设计者就必须转而考虑开关型调节器。然而，伴随着性能的改进也带来一些不足之处，例如更大的尺寸和更高的成本，更敏感于（并产生）电气噪声，以及复杂程度的增加等等。
开关调节器或电源所产生的噪声以传导或辐射的形式出现。传导型噪声表现为电压或电流形式，它们还可进一步分类为共模或差模传播方式。更为复杂的是，连接线上有限的阻抗会将电压传播转换为电流传播，反之亦然，并且差模传播也会产生出共模传播噪声，反之亦然。
一般来讲，你可以降低上述一种或多种传播类型的噪声使电路得到优化。传导型噪声对于固定系统的影响往往比对便携式系统更为严重。因为便携式设备依靠电池工作，它的负载和电源没有传播传导型噪声的外部连接。
为了理解开关调节器中的噪声源，必须首先了解其工作原理。对于各种类型开关调节器的描述超出了本文的涉及范围。不过，基本上各种开关调节器都是利用有源元件（晶体管和二极管）在储能元件（电感和电容）之间往复传送电流，最终实现源端电压/电流到负载端电压/电流的转换。为方便描述，采用MAX1653 DC/DC转换控制器构成典型的同步整流、降压型转换器（图1）。
图1. 图中所示的降压型开关调节器采用外接的开关管（N1）和同步整流器（N2）
正常工作期间，该电路在高端开关（N1）导通时从输入向输出传送电流，而在N1关断、同步整流器（N2）导通时由电感继续传送。粗略假定所有元件都是理想的，可以得到近似一阶的电流和电压波形（图2），这些元件的寄生效应将在后续部分中考虑进来。
图2. 这些工作波形基于图1电路中所有元件具有理想特性的假设后得出
由于N1仅在一部分时间内导通，从源端和输入电容（CIN）的位置看来电流是不连续的。CIN在N1导通时提供超出部分电流（IL - IINPUT），而在N1关断时由输入电流储存电荷。如果CIN为无限大，且具有零等效串联电阻（ESR）和零等效串联电感（ESL），它两端的电压将在上述充电和放电周期中保持恒定。当然，实际电压会在每个周期间波动。电流脉冲根据电导率关系，以等于或高于转换器开关频率的速度，在CIN和输入源之间进行分配。
降低这种传导型噪声的一种最直接的方法是：在输入端连接低阻抗旁路电容。另外一种灵巧一点的办法更为节省成本和电路板空间：增加电源和转换器之间的阻抗，并确保必要的直流电流能够不受阻碍地通过。最佳的阻抗元件是电感器，但应确保转换器的输入阻抗在最高至环路的转折频率时都保持较低的水平（大多数DC-DC开关转换器的环路转折点位于10kHz到100kHz间）。否则的话，输入电压的波动会导致输出电压不稳定。
输出电容（COUT）上的纹波电流要比CIN上的低得多，不但幅度较低，而且（不同于输入电容）电流是连续的，因此也就具有比较少的谐波成分。通常，每匝线圈都被一层绝缘物质覆盖，这就在各匝线圈之间形成了一个小的电容。这些杂散电容串联叠加后形成一个和电感相并联的小等效电容，它提供了一条将冲击电流传导至COUT和负载的通路。这样，开关节点处（LX）电压波形的不连续跳变沿就会向COUT和负载传送高频电流，结果常常是在输出电压上形成毛刺，能量分布于20MHz至50MHz范围。
这种类型转换器的负载常常是对于传导噪声敏感的某种形式的微电子电路，不过幸运的是，转换器的传导噪声在输出端比起输入端来更容易控制。和输入端一样，输出传导噪声也可以利用低阻抗旁路或第二级滤波来加以控制，第二级（后端）滤波器的使用应当谨慎。输出电压是控制环路中的一个控制变量，输出滤波器给环路增益附加了延时或相移（或两者），有可能使电路不稳定。如果一个高Q值LC后端滤波器被置于反馈点之后，电感的电阻将会降低负载调整特性，并且瞬态负载电流会引起输出振荡。