通過設(shè)計(jì)合適的輸入濾波器減小DCDC轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)噪聲-第一部分

1. 前言

高開關(guān)頻率是在電源轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展過程中促進(jìn)尺寸減小的主要因素。為了符合相關(guān)法規(guī)，通常需要采用電磁干擾 （EMI） 濾波器，而該濾波器通常在系統(tǒng)總體尺寸和體積中占據(jù)很大一部分，因此了解高頻轉(zhuǎn)換器的 EMI 特性至關(guān)重要。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器通過電源線進(jìn)行傳導(dǎo)噪聲的傳播。很多 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 IC 帶有擴(kuò)頻功能，可以減小噪聲濾波器的器件尺寸和降低 BOM 成本。為了將傳 導(dǎo)噪聲水平降低到可以接收的水平，需要使用輸入濾波器。本應(yīng)文就DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入濾波器的設(shè)計(jì)和注意事項(xiàng)進(jìn)行了說明。

2. 產(chǎn)生傳導(dǎo)噪聲的原因

工程師非常熟悉開關(guān)電源的高效率會(huì)帶來小體積和重量輕的優(yōu)點(diǎn)，但許多人也深受電噪聲的困擾。然而，先進(jìn)的設(shè)計(jì)會(huì)選擇使用低噪聲的器件和拓?fù)鋪砀倪M(jìn)噪聲，例如諧振拓?fù)洹?/span>“頻率抖動(dòng)”之類的技術(shù)也有助于降低測量帶寬中的電磁輻射。開關(guān)電源中的噪聲來源于半導(dǎo)體的快速切換，通常想獲得高效率，開關(guān)波形上升和下降的時(shí)間是以納秒為單位的，高的dV/dt和di/dt電平不能完全被開關(guān)電源所抑制，就有可能在輸入或輸出線上呈現(xiàn)出傳導(dǎo)的電壓或電流尖峰噪聲。根據(jù)傅里葉分析，一般開關(guān)波形的電磁輻射分析如圖1所示，隨著上升/下降時(shí)間Tr, Tf減小，輻射帶寬也隨之增加，而增加的幅度則受到Ton/Tp [1]波形占空的影響。

DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入電流會(huì)根據(jù) DC/DC 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率進(jìn)行 周期性的變化。在輸入電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）上，由于 交流的輸入電流會(huì)產(chǎn)生紋波電壓。該紋波電壓的振幅，本質(zhì)上取 決于所使用電容器的 ESR。 電解電容和高分子電容的 ESR 范圍從幾個(gè)毫歐姆到幾個(gè)歐姆， 相對來說阻值較大。因此，當(dāng)使用上述種類的電容器時(shí)，紋波電壓的振幅也會(huì)變大。與此相對的，多層陶瓷電容（MLCC）的 ESR 只有幾個(gè)毫歐姆，非常得小，因此紋波電壓也只有幾個(gè) mV。 可以使用示波器的時(shí)域分析功能，對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸入 AC 波 形進(jìn)行分析。 這樣，在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)階段，能夠比較容易地實(shí)現(xiàn)干擾

頻譜的測量，給傳導(dǎo)噪聲/EMC 問題提供了一個(gè)簡單的評(píng)估方法。

3. 噪音類型

傳導(dǎo)噪聲有差分模式（DM）和共模（CM）兩種類型，它們通常在某種程度上同時(shí)存在。DM噪聲為電力線回路之間測得的電壓。CM噪聲為電源線和系統(tǒng)接地之間測得，通常為定義阻抗的電壓。這是因?yàn)楣β兽D(zhuǎn)換器通常是高頻CM噪聲的電流源。

DM 傳導(dǎo)噪聲

DM 噪聲電流 （IDM） 由轉(zhuǎn)換器固有開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生，并在正負(fù)電源線 L1 和 L2 中以相反方向流動(dòng)。DM 傳導(dǎo)發(fā)射為“電流驅(qū)動(dòng)型”，與開關(guān)電流 （di/dt）、磁場和低阻抗相關(guān)。DM 噪聲通常在較小的回路區(qū)域流動(dòng)，返回路徑封閉且緊湊。

例如，在連續(xù)導(dǎo)通模式 （CCM） 下，降壓轉(zhuǎn)換器會(huì)產(chǎn)生一種梯形電流，且這種電流中諧波比較多。這些諧波在電源線上會(huì)表現(xiàn)為噪聲。降壓轉(zhuǎn)換器的輸入電容（圖 1 中的 CIN）有助于濾除這些高階電流諧波，但由于電容的非理想寄生特性（等效串聯(lián)電感 （ESL） 和等效串聯(lián)電阻 （ESR）），有些諧波難免會(huì)以 DM 噪聲形式出現(xiàn)在電源電流中，即使在添加實(shí)用的 EMI 輸入濾波器級(jí)之后也于事無補(bǔ)。

CM 傳導(dǎo)噪聲

另一方面，CM 噪聲電流 （ICM） 會(huì)流入接地 GND 線并通過 L1 和 L2 電源線返回。CM 傳導(dǎo)發(fā)射為“電壓驅(qū)動(dòng)型”，與高轉(zhuǎn)換率電壓 （dv/dt）、電場和高阻抗相關(guān)。在非隔離式 DC/DC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器中，由于 SW 節(jié)點(diǎn)處的 dv/dt 較高，產(chǎn)生了 CM 噪聲，從而導(dǎo)致產(chǎn)生位移電流。該電流通過與 MOSFET 外殼、散熱器和 SW 節(jié)點(diǎn)走線相關(guān)的寄生電容耦合到 GND 系統(tǒng)。與轉(zhuǎn)換器輸入或輸出端的接線較長相關(guān)的耦合電容也可能構(gòu)成 CM 噪聲路徑。

下一章介紹如何設(shè)計(jì)濾波器。