電源噪聲技術(shù)干貨

“噪音”——也許沒(méi)有什么比這個(gè)五個(gè)字母的單詞的含義更讓設(shè)計(jì)工程師擔(dān)心的了。這種擔(dān)憂是有充分理由的。噪音通常是不可預(yù)測(cè)的；可能來(lái)自內(nèi)部且在某種程度上可控的來(lái)源，或來(lái)自外部無(wú)法控制的來(lái)源；它會(huì)影響性能的準(zhǔn)確性和一致性；它可能導(dǎo)致產(chǎn)品不符合其目標(biāo)設(shè)計(jì)目標(biāo)；它在原型階段和現(xiàn)場(chǎng)都會(huì)出現(xiàn)類似隨機(jī)的故障。

鑒于噪聲的廣泛來(lái)源和表現(xiàn)形式，有數(shù)以千計(jì)的文章、應(yīng)用筆記和設(shè)計(jì)技巧來(lái)解釋噪聲及其處理方法。（警告：很多建議往往是相反的，但這通常是由于實(shí)際應(yīng)用和作者經(jīng)驗(yàn)的差異。）在本常見(jiàn)問(wèn)題解答中，我們將從系統(tǒng)的 AC/DC 電源開(kāi)始關(guān)注噪聲，盡管許多這些要點(diǎn)也適用于 DC/DC 電源（也稱為轉(zhuǎn)換器或調(diào)節(jié)器）。

問(wèn)：為什么要看電源噪聲？查看電路中的噪聲不是更重要嗎，尤其是低電平模擬電路？

答：電源的輸出軌是構(gòu)建電路和系統(tǒng)的基礎(chǔ)。如果這些電源軌上有噪聲，系統(tǒng)按設(shè)計(jì)運(yùn)行的能力就會(huì)受到影響。很多時(shí)候，由于電源噪聲引起的問(wèn)題是間歇性的和不一致的，因此很難確認(rèn)。此外，每個(gè)系統(tǒng)都有一個(gè)電源（也許除了一個(gè)非常簡(jiǎn)單的電源，例如通過(guò)限流電阻驅(qū)動(dòng) LED 的電池），因此電源幾乎是每個(gè)設(shè)計(jì)中的潛在噪聲源

問(wèn)：術(shù)語(yǔ)“EMI”（電磁干擾）使用得很多。產(chǎn)生這種 EMI 的機(jī)制是什么？

答：有四種主要機(jī)制：

傳導(dǎo)耦合是由直接接觸形成的物理耦合路徑。除了電纜或電線，印刷電路板 (PCB) 甚至金屬外殼上的任何跡線也可能發(fā)生這種耦合。

輻射耦合通過(guò)空氣或真空發(fā)生。由于 PCB 上的每條走線都是潛在的天線，因此它也是潛在的耦合路徑。

電容耦合與電場(chǎng)有關(guān)，當(dāng)兩個(gè)相鄰導(dǎo)體之間存在變化的電場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生電容耦合。例如，當(dāng)有兩個(gè)具有任何空間分隔的電位差的板時(shí)，它就形成了一個(gè)電容器。

最后，還有電感耦合，它與磁場(chǎng)有關(guān)，當(dāng)兩個(gè)平行導(dǎo)體之間存在變化的磁場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生；這會(huì)導(dǎo)致寄生感應(yīng)電壓。

通常，在高壓應(yīng)用中，電容耦合占主導(dǎo)地位，而在大電流情況下，電感耦合占主導(dǎo)地位。

問(wèn)：如果我的電路看起來(lái)工作正常，我應(yīng)該擔(dān)心噪音嗎？

答：可能吧。即使電源噪聲不會(huì)影響您的系統(tǒng)，也有各種法規(guī)和指令規(guī)定您的產(chǎn)品（包括電源）可以發(fā)出多少噪聲。由于電源通常具有相對(duì)較長(zhǎng)的引線或 PC 板走線，因此電源的噪聲可能會(huì)輻射出去，因?yàn)檫@些電線充當(dāng)天線。這些法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)屬于電磁兼容性 (EMC) 法規(guī)類別。

問(wèn)：EMI 和 EMC 有什么區(qū)別？

答：每個(gè)電子設(shè)備都會(huì)發(fā)出 EMI 或電磁干擾，而該設(shè)備對(duì)其他電子設(shè)備的影響就是 EMC 的用武之地。

EMC 或電磁兼容性涵蓋了產(chǎn)品與其環(huán)境中的其他產(chǎn)品相互作用的程度。

問(wèn)：我的系統(tǒng)必須滿足哪些標(biāo)準(zhǔn)？

A：這是一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題，但答案很復(fù)雜。它是工作頻率、功率水平和應(yīng)用的函數(shù)。最常見(jiàn)的兩個(gè)法規(guī)是 CISPR 22 和 FCC 15；

–CISPR 22 測(cè)試 150 kHz 至 30 MHz 的傳導(dǎo)噪聲，以及 30 MHz 至 6GHz 的輻射噪聲。

–FCC 15 測(cè)試 450 kHz 至 30 MHz 的傳導(dǎo)噪聲，以及 30 MHz 至 40GHz 的輻射噪聲或電路中最高頻率的五次諧波。

問(wèn)：就這些嗎？

答：一點(diǎn)也不。有 IEC 定義的全球標(biāo)準(zhǔn)，以及指定為 EN 的歐洲標(biāo)準(zhǔn)。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)際上都有許多類別、子類別和子子類別，包括區(qū)分指定為 A 類和 B 類的設(shè)備。A 類用于商業(yè)、工業(yè)和商業(yè)環(huán)境設(shè)備，而 B 類用于住宅環(huán)境設(shè)備。由于其運(yùn)行環(huán)境，A 類測(cè)試更為嚴(yán)格。不同的傳導(dǎo)和輻射測(cè)試在相同頻率下對(duì)兩個(gè)類別進(jìn)行，圖 1。

圖 1：該圖表提供了各種 EMI/EMC 測(cè)試制度的高級(jí)概覽；它下面有很多層。（來(lái)源：Würth Elektronik GmbH & Co.）

一般而言，除非產(chǎn)品團(tuán)隊(duì)擁有熟練的內(nèi)部 EMI/EMC 小組，否則不嘗試找出相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)置可能是有意義的，而是使用合格的顧問(wèn)或經(jīng)過(guò)認(rèn)證的 EMC 實(shí)驗(yàn)室。這些實(shí)驗(yàn)室還負(fù)責(zé)進(jìn)行所需的測(cè)試并頒發(fā)正式的合規(guī)證書(shū)。

問(wèn)：一般來(lái)說(shuō)，電源中的噪聲源有哪些？

答：對(duì)于線性電源，自生噪聲非常低，這是其架構(gòu)的固有結(jié)果。線性電源輸出中的噪聲通常是這些引線的輻射拾取和可能的再輻射的結(jié)果。

相比之下，開(kāi)關(guān)電源（正式名稱為開(kāi)關(guān)模式電源或 SMPS）確實(shí)會(huì)產(chǎn)生噪聲，這也是其工作原理的結(jié)果；有些是專門(mén)為減少噪音而設(shè)計(jì)的。

問(wèn)：當(dāng)您遇到電源布線的噪聲問(wèn)題時(shí)，首先（也是最簡(jiǎn)單）要做的事情是什么？

答：答案很簡(jiǎn)單：鐵氧體磁珠放置在電源輸出引線周?chē)?。這些珠子（尺寸范圍從直徑的大約二分之一到幾厘米不等，混合使用了磁性鐵氧體材料（圖 2）來(lái)衰減沿導(dǎo)線傳遞的射頻信號(hào)，但對(duì)來(lái)自導(dǎo)線的直流電流沒(méi)有影響鐵氧體通常由兩種不同類型的材料制成：錳鋅和鎳鋅。鎳鋅用于傳導(dǎo)噪聲或輻射噪聲的情況，而錳鋅主要用于傳導(dǎo)噪聲。

圖 2：并非所有鐵氧體都是等效的，它們的配方針對(duì)頻率和****類型進(jìn)行了優(yōu)化。（來(lái)源：Würth Elektronik GmbH & Co.）

這些鐵氧體是一種低成本、無(wú)風(fēng)險(xiǎn)的解決方案，沒(méi)有后遺癥，并且經(jīng)常用作初始設(shè)計(jì)中“我們將使用它們以防萬(wàn)一”方法的標(biāo)準(zhǔn)部分。一旦出現(xiàn)問(wèn)題，它們通常也會(huì)在事后添加，因?yàn)樗鼈兒苋菀讎L試。

問(wèn)：什么是差模噪聲？

差模噪聲（通常簡(jiǎn)稱為差分噪聲）是在相反方向的線路和中性線上傳導(dǎo)的噪聲，圖 1，左側(cè)。

圖 1：（左）差模噪聲在相反方向的線路和中性線上傳導(dǎo)；（右）它可以通過(guò)線路路徑中的單繞組電感器和線路到中性點(diǎn)的電容器進(jìn)行濾波。（出處：村田制作所）

問(wèn)：處理差模噪聲的最佳解決方案是什么？

答：如圖所示放置一個(gè)扼流圈（電感器）通?？梢越鉀Q這個(gè)問(wèn)題?；镜牟钅Ｔ肼暈V波器使用插入線路路徑的單繞組扼流圈，以及從線路到中性點(diǎn)的電容器，從而阻止噪聲通過(guò)系統(tǒng)傳播，圖 1，右側(cè)。

由于差模噪聲電感器位于線路路徑中，因此它可以處理因提供給負(fù)載的電流而產(chǎn)生的噪聲和直流偏移。因此，它的設(shè)計(jì)必須能夠提供所需的電感，但同時(shí)具有低直流電阻 (DCR)，以在不飽和的情況下處理 RMS 電流和峰值線路電流。如果電流水平較低，可以使用芯片式鐵氧體磁珠元件。

Q 如何降低共模噪聲？

答：同樣，專用電感器就是答案?；镜墓材Ｔ肼暈V波器在線路和中性路徑中都使用了一個(gè)雙繞組電感器，加上一個(gè)從線路到地的電容器，圖 2，右側(cè)。由于線電流和中性電流以相反的方向通過(guò)共模繞組，因此沒(méi)有凈直流通量，因此不可能使扼流圈的磁芯飽和。共模扼流圈只需要具有所需的電感以及用于 RMS 電流的足夠低的直流電阻 (DCR)。

圖 2：（左）共模噪聲同時(shí)在線和中性線（接地）上傳導(dǎo)，但方向相同；（右）線路和中性路徑中的雙繞組電感器，加上線路與地之間的電容器，可以有效地對(duì)其進(jìn)行濾波。（出處：村田制作所）

問(wèn)：有沒(méi)有辦法判斷設(shè)計(jì)中存在哪種類型的噪聲問(wèn)題？

A：是的，在某種程度上。首先，將夾緊式鐵氧體應(yīng)用到電纜上，記住兩條線路（直流電源和地線）都在該電纜中。如果噪聲降低，或抗擾度提高，則表明存在共模問(wèn)題；如果沒(méi)有效果，可能是差模問(wèn)題。如果存在共模問(wèn)題，請(qǐng)嘗試使用共模扼流圈。如果是差模問(wèn)題，使用片狀磁珠鐵氧體或差模扼流圈。

一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于 10 MHz 以上的頻率，很可能是共模噪聲問(wèn)題，但不能保證。可能存在高于 10 MHz 的差分噪聲，但這種情況并不經(jīng)常發(fā)生。

參考

1. Radio-Electronics.com，“解決 EMI 共模和常模噪聲”

2. Pulse Electronics，“了解共模噪聲”

3. Murata，“差分和共模噪聲”

4. 村田，“電磁干擾的條件和未來(lái)趨勢(shì)”

5. Würth Elektronik GmbH，“ EMC 基礎(chǔ)知識(shí)：共模與差分噪聲”（以及該系列之前的博客）