抑制電氣噪聲對便攜設(shè)備嚴(yán)重影響的最佳選擇

　　本文對嚴(yán)重影響便攜設(shè)備基本性能的各類電壓調(diào)節(jié)器所產(chǎn)生的傳導(dǎo)、幅射噪聲及共模噪聲傳播機(jī)制及抑制選擇作分析討論。

　　電場屏蔽技術(shù)

　　由于電場存在于兩個具有不同電位的表面或?qū)嶓w之間，因此，只需要剛—個接地的防護(hù)罩將設(shè)備屏蔽起來，就可以相對容易地將設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的電場噪聲限制在屏蔽罩內(nèi)部。這種屏蔽措施已被廣泛用于監(jiān)視器、示波器、開關(guān)電源以及其它具有大幅度電壓擺動的設(shè)備。另外一種通行的做法是在線路板上設(shè)置接地層，電場強(qiáng)度正比于表面之間的電位差，井反比于它們之間的距離。舉例來講，電場可存在于源和附近的接地層之間。這樣，利用多層線路板，在電路或線條與高電位之間設(shè)置一個接地層，就可以對電場起到屏蔽作用。

　　不過，在采用接地層時(shí)還應(yīng)注意到高壓線路中的容性負(fù)載。電容器儲能于電場中，這樣，當(dāng)靠近一個電容器設(shè)置接地層時(shí)就在導(dǎo)體和地之間形成一個電容，導(dǎo)體上的dv／dt信號會產(chǎn)生大傳導(dǎo)電流到地，這樣，在控制輻射噪聲的同時(shí)卻降低了傳導(dǎo)噪聲性能。

　　如果出現(xiàn)電場散射，來源最有可能于系統(tǒng)中電位最高的地方，在電源和開關(guān)調(diào)節(jié)器中，應(yīng)該注意開關(guān)晶體管和整流器，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂懈唠娢?，而且由于帶有散熱器，也具有比較大的表面積。表面安裝器件同樣存在這個問題，因?yàn)樗鼈兂３Ｒ蟠竺娣e線路板覆銅來幫助散熱。這種情況下，還應(yīng)注意大面積散熱面和接地層或電源層之間的分布電容。

　　磁場屏蔽技術(shù)

　　電場相對比較容易控制，但磁場就完全不同了，采用高導(dǎo)磁率的物質(zhì)將電路封閉起來可以起到類似的屏蔽作用，但是這種方法實(shí)現(xiàn)起來非常困難而且昂貴。通常來講，控制磁場散射最好的辦法就是在源頭將其減至最小。一般情況下，這就要求選擇那些磁輻射小的電感和變壓器。同樣重要的還有，在進(jìn)行電路板布局和連接線配置時(shí)要注意最大限度減小電流網(wǎng)路的尺寸，尤其是那些載有大電流的回路。大電流回路不僅向外輻射磁場，它們還增加了導(dǎo)線的電感，這會在載有高頻電流的線上引起電壓尖刺。

　　降低磁輻射-采用增加氣隙的鐵氧體磁芯制作電感器

　　對電路設(shè)計(jì)者來說往住傾向于選擇商品化的變壓器和電感，但無論是設(shè)計(jì)或選擇商品化的變壓器和電感，應(yīng)了解一點(diǎn)磁性材料方面的知識均將有助于設(shè)計(jì)者對具體應(yīng)用做出最適當(dāng)?shù)倪x擇。

　　根據(jù)有關(guān)實(shí)驗(yàn)資料可知，鐵氧體磁芯（或其他類型的高磁導(dǎo)率磁芯）增加氣隙后會迫使磁通透出磁芯，使電感或變壓器儲能于器件用周圍的磁場中。為這個鐵氧體磁芯增加氣隙將使斜率降低，同時(shí)降低了等效磁導(dǎo)率和相關(guān)的電感。電感因斜率的變化而降低，而最大電流因斜率的變化而增加，同時(shí)飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度B保持不變。所以，儲存于電感的最大能量（1/2L12）增加了。這種增加也可以通過給電感施加一個電壓，然后觀察達(dá)到飽和Bsat所需的時(shí)間來得到印證。儲存于磁芯的能量是（V&TImes;i）dt的積分。因?yàn)閷τ趲в袣庀兜拇判?，同樣的電壓和時(shí)間下總是具有更高的電流，所以相應(yīng)的儲能也更高。

　　然而，采用帶氣隙的磁芯會增加電感周圍空間中的磁輻射。以軸狀磁芯為例，因?yàn)榫哂泻艽蟮臍庀?，它在工作時(shí)具有很強(qiáng)的磁輻射，正是由于這個原因，在很多對噪聲敏感的應(yīng)用中不被采用。軸狀磁芯——線軸狀鐵氧體——是一種最為簡單和最為廉價(jià)的帶氣隙的鐵氧體磁芯。將線圈繞于中軸上面便構(gòu)成一只電感。由于線圈直接繞在磁芯上，除了線圈的引出外不再需要其它處理，因此成本很低。很多情況下，導(dǎo)線是通過磁芯底部的一塊金屬化區(qū)引出的，使電感可以進(jìn)行表面安裝。其它一些表面安裝電感則是被固定在一個陶瓷或塑料頂蓋上，線圈通過頂蓋引出。

　　有些制造商在軸狀磁芯外部套裝了一個鐵氧體屏蔽罩來降低輻射。這種辦法是有效的，但同時(shí)也減小了氣隙，因而也就降低了磁芯儲能。由于鐵氧體自身儲能不多，通常在磁芯和屏蔽罩之間保留了一個小的氣隙，這將使這種類型的電感輻射一部分磁場。不過，在某種可以接受的散射水平下，軸狀磁芯在成本和EMI之間是一個比較好的折衷。

　　其它不同形狀的磁芯也可以根據(jù)應(yīng)用要求增加氣隙（或不加）。例如罐狀磁芯、E-I磁芯和E-E磁芯等都具有一個中心柱或軸，可以在上面開出一個空氣間隙。在磁芯的中心開氣隙并用線圈將其完全包圍起來，有助于減少氣隙向外部空間的磁輻射。這種電感通常更貴一些，因?yàn)榫€圈必須獨(dú)立于磁芯繞制，磁芯環(huán)繞線圈組裝。為便于設(shè)計(jì)和組裝，可以購買中軸上預(yù)留氣隙的磁芯。

　　或許在降低磁輻射方面表現(xiàn)最好的磁芯是具有分布式氣隙的磁環(huán)，這種磁芯采用填充材料和高磁導(dǎo)罕率金屬粉末混合后壓制成型。金屬粉末顆粒被非磁性的填充物分隔，形成小的氣隙，盡管它們分布于整個磁芯，但其作用類似于一個總的“空氣隙”。線圈環(huán)繞磁環(huán)繞制，使磁場在線圈中間沿著磁環(huán)形成圓環(huán)，當(dāng)線圍繞滿磁環(huán)整個圓周時(shí)，它就完全包圍住磁場將其屏蔽起來。

　　分布?xì)庀妒酱怒h(huán)的能損有時(shí)會比開有氣隙的鐵氧體磁芯更高一些，這是由于組成芯體的金屬顆粒中容易形成渦流，導(dǎo)致磁芯發(fā)熱而使電源效率降低．由于線圈必須穿過磁環(huán)中心，繞制比較圍難，所以這種類型的電感也比較貴，線圈繞制可由機(jī)器完成，但比起傳統(tǒng)類型的繞線機(jī)，這種類型的機(jī)器更貴而且操作更慢。

　　有些鐵氧體磁環(huán)具有非連續(xù)的氣隙，這種磁心所產(chǎn)生的碰輻射高于上述分布?xì)庀妒酱判?，但典型的帶氣隙磁環(huán)具有比較低的能損，因?yàn)樗鼈兎忾]磁場的能力姜要優(yōu)于其它類型的具有非連續(xù)氣隙的鐵氧體磁芯。用線圈包圍氣隙可以降低磁輻射，而環(huán)狀磁芯更有助于將磁場封閉于芯體內(nèi)部。

　　變壓器設(shè)計(jì)應(yīng)考慮避免漏感產(chǎn)生

　　變壓器具有許多和電感器共有的局限，因?yàn)樗鼈儾捎猛瑯拥拇判纠@制而成。除此之外，變比器還有—些獨(dú)有的特性。實(shí)際變壓器的特性接近于理想變壓器-以正比于繞組匝比的電壓比率從初級向次級耦合電壓。

　　在變壓器等效電路中，繞組間的分布電容等效為電容器CWA和CWB，這些因素帶來的主要問題是隔離電源中的共模散射問題。繞組電容CP和CS很小，在開關(guān)型電源和調(diào)節(jié)器的工作頻率下通常可以忽略。勵磁電感LM的作用很重要，因?yàn)檫^高的勵磁電流會造成變壓器飽和。和電感一樣，飽和狀態(tài)下變壓器的磁輻射將會增加。飽和還會造成更高的磁芯能損，更高的溫升（有可能引起熱失控），以及降低繞組間的耦合度。

　　漏感是由僅匝鏈一個繞組而未匝鏈其它繞組的磁場產(chǎn)生的，雖然在有些耦合式電感器和變壓器（就象前面討淪的共模扼流圈）中有意將這個參數(shù)設(shè)計(jì)得比較大，但對于開關(guān)電源來講，漏感LLp和LLs常常是最令人頭痛的寄生元件、同時(shí)匝鏈兩個繞組的磁通將兩個繞組耦合為一體．所有變壓器繞組都環(huán)繞磁芯，因此任何漏感都存在于磁芯外部，在空氣中，會向外界產(chǎn)生磁輻射。

　　漏感帶來的另外一個問題是，當(dāng)電流迅速變化時(shí)會產(chǎn)生大電壓，這在大多數(shù)開關(guān)電源變壓器中有所表現(xiàn)。這種大電壓會使開關(guān)晶體管或整流器過壓而損壞。吸收緩沖器（通常是一只串聯(lián)的電阻和電容）常被用來耗散這種電壓尖峰的能量，而使電壓得到控制。另一方面，有些開關(guān)器件被設(shè)計(jì)為可以承受一定的重復(fù)性雪崩擊穿，能夠耗散一定功率，可以不用外部緩沖器。

　　變壓器漏感的測定很簡單，只需短路次級線圈，然后測量初級電感即可。這種測量結(jié)果中也包含了通過變壓器耦合的次級漏感，多數(shù)情況下，這個漏感也必須加以考慮，因?yàn)樗矔黾映跫墏?cè)的電壓尖峰。對應(yīng)的尖峰能量可按公式E=1/2L12計(jì)算，這樣，漏感造成的功率消耗就是每一尖峰的能量乘以開關(guān)頻率：P：=1/2L12f。

　　對于變壓器的具體要求和不同的電源拓?fù)溆嘘P(guān)。有些拓?fù)渫ㄟ^變壓器直接耦合能量——例如半橋、全橋、推挽式或正激式轉(zhuǎn)換器——要求非常高的勵磁電感以防止飽和。這些電路中變壓器的初級和次級線圈同時(shí)傳輸電流，直接通過變壓器耦合能量。由于只有很少的能量儲存于磁芯中，變壓器可以做得比較小。這種變壓器通常采用沒有氣隙的鐵氧體或其它高磁導(dǎo)率材料的磁芯繞制而成。

　　另外一些電源拓?fù)鋭t要求變壓器磁芯儲存一定的能量。反激式電路中的變壓器在開關(guān)周期的前半部分通過初級線圈儲能。在開關(guān)周期的后半部分，能量被釋放并通過次級線圈饋向輸出。和電感的情況一樣，不帶氣隙的高磁導(dǎo)率磁芯不太適合變壓器儲能。相反，磁芯必須具有不連續(xù)的或分布式的氣隙。這會使元件的尺寸比不帶氣隙時(shí)的情況更大一些，但卻省去了額外的儲能電感，因此更加節(jié)省成本和空間。

　　關(guān)于串?dāng)_與抑制

　　所謂串?dāng)_是指在噪聲（干擾）源和被干擾對象之間不存在直接的連接，但在它們的各自導(dǎo)線或引線互相靠近時(shí)會產(chǎn)生寄出電容和寄生電感。

　　兩個或更多導(dǎo)體靠得比較近時(shí)，它們之間就會有容性耦合，一個導(dǎo)體中的大幅度電壓變化會向其它導(dǎo)體耦合電流。如果導(dǎo)體是低阻抗的，則耦合電流僅產(chǎn)生很小的電壓。電容反比于導(dǎo)體間的距離而正比于導(dǎo)體的面積，這樣，減小相鄰導(dǎo)體的面積，并增加它們之間的距離，將有利于降低傳導(dǎo)型噪聲。

　　另外一個減小導(dǎo)體間耦合的辦法是增加一個接地或屏蔽層。導(dǎo)體之間的一條接地線（很多情況下為電源總線或其它類型的低阻抗節(jié)點(diǎn)）可以將容性耦合過來的干擾信號旁路到地，從而起到防止導(dǎo)體間相互干擾的作用。但應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎行之。如果載有快速dV／dt信號的線條被靠近某接地層放置，而該接地層與大地之間通過高阻互連，那么上述快速變化信號就會耦合進(jìn)入接地層。進(jìn)而接地層又會向敏感線路耦合，這樣，非但沒有改善，反而使噪聲問題更加惡化。如果接地層不用承載大電流，通常趨向于采用細(xì)導(dǎo)線將其連接到地。然而，細(xì)導(dǎo)線具有比較大的電感，這會使接地層對于快速變化的電壓信號呈現(xiàn)為高阻。

　　在進(jìn)行布線時(shí)，應(yīng)該保證接地層不向電路的敏感部分耦合噪聲。例如，輸人、輸出旁路電容就經(jīng)常通過接地層傳輸電流，高頻電流對于敏感電路會產(chǎn)生不可忽視的影響。為避免這種問題，常常在電路板上采用獨(dú)立的層面，分別用于電源和信號的接地。將不同層面在單點(diǎn)連接，那么，大功率接地層上的噪聲就不會注人到其它層面上去。這種做法類似于所有元件在單點(diǎn)接地的星形地（所有線條以“星”形匯聚至接地點(diǎn)）。星形接地的效果等同于采用獨(dú)立的功率和信號接地，但在一個比較復(fù)雜的、包含許多接地元件的大型電路中無法實(shí)施。

　　如果已知某個節(jié)點(diǎn)對噪聲敏感，那么所有連接到該節(jié)點(diǎn)的線條和導(dǎo)線都應(yīng)該遠(yuǎn)離那些有大幅度電壓變化的節(jié)點(diǎn)走線。如果做不到，需要增加一個良好的接地或屏蔽。良好的電容旁路也可以降低這些節(jié)點(diǎn)對串?dāng)_的敏感度。通常，一個連接于節(jié)點(diǎn)和地之間，或者是節(jié)點(diǎn)和電源總線之間的小電容，就可構(gòu)成一個適當(dāng)?shù)呐月贰?/p>

　　在選擇旁路電容時(shí)，要確保其在可能引起問題的頻率范圍有足夠低的阻抗。ESR和ESL可能會使電容器在高頻下的阻抗高于預(yù)期，因此，具有低ESR和ESL的陶瓷電容被普遍用于高頻旁路。陶瓷電介質(zhì)對于性能的影響也比較大。較高容量的電介質(zhì)（例如Y5V）會使電容隨著電壓和溫度的改變發(fā)生比較大的變化。在最高額定電壓下，由這種陶瓷制成的電容器的容量會比無偏壓時(shí)的容量低15%之多。更好一點(diǎn)的電介質(zhì)具有稍低的電容量，但對串?dāng)_的抑制與偏壓和溫度的相關(guān)性更低，很多情況下可以提供更穩(wěn)定、更優(yōu)良的旁路。

　　旁路電容的放置也很講究。為了抑制高頻噪聲，最好使需要旁路的信號線直接通過旁路電容走線。在圖8a中，與電容器串連的那段線條會增加ESR和ESL，增大了高頻阻抗，使電容器作為高頻旁路的效果大打折扣。更好的布線方式（見圖8b）是使線條直接通過電容器，這樣，線條的離散ESR和ESL將協(xié)助電容產(chǎn)生更好的濾波效果。

　　有些節(jié)點(diǎn)不能采用旁路措施，因?yàn)檫@樣做會改變其頻率特性。一個例子就是用于反饋的電阻分壓器。大多數(shù)開關(guān)電源中，電阻反饋分壓器將輸出電壓分壓至誤差放大器可以接受的電平。加到這個反饋節(jié)點(diǎn)的大容量旁路電容和節(jié)點(diǎn)上的電阻構(gòu)成了一個極點(diǎn)。因?yàn)榉謮浩魇强刂骗h(huán)的一部分，這個極點(diǎn)就成為環(huán)路特性的一音盼。如果極點(diǎn)頻率不超過轉(zhuǎn)折頻率的一個十倍頻程，它所產(chǎn)生的相位或增益效應(yīng)將給環(huán)路穩(wěn)定性帶來不利影響。