PCB设计降低電(diàn)子设备和電(diàn)路中電(diàn)源噪声的方法

2020-09-04

在当今几乎所有(yǒu)使用(yòng)的度量标准中，设计师都将噪声视為(wèi)对其设计最大的关注和危害之一。噪声对電(diàn)子電(diàn)路（包括電(diàn)源）的不利影响已得到充分(fēn)记录，因此值得您高枕无忧。那么，為(wèi)什么噪声会困扰整个设计呢(ne)？最初引起关注的是噪声本身的不可(kě)预测性。通常，噪声可(kě)能(néng)来自外部源或内部源。甚至噪声的来源也会带来更多(duō)的问题。

在外部噪声源的情况下，从技术上讲它是无法控制的源。这意味着设计师将需要勤奋和有(yǒu)创造力，以抵消这些影响。对于内部源，虽然可(kě)能(néng)更易于控制，但结果仍然与外部源相同。这些不利影响包括对功能(néng)，性能(néng)，准确性甚至一致性的不利影响。在某些情况下，它可(kě)以防止设备在从原型阶段到最终产品的任何地方都达到期望的设计目标，甚至无法完成故障。

减轻電(diàn)源噪声的重要性

尽管可(kě)能(néng)会产生大量噪声，但是此参数的总體(tǐ)效果是不利的。此处的共识是在電(diàn)路级别而不是在電(diàn)源级别解决噪声问题。但是，这只能(néng)解决一半的问题，并且很(hěn)有(yǒu)可(kě)能(néng)忽略了减轻噪声需求的更关键的方面。进行此评估的原因是因為(wèi)我们基于電(diàn)源正常运行的能(néng)力来构建電(diàn)路，甚至是系统的基础。

此外，如果電(diàn)源的输出轨上存在噪声，则整个系统的设计功能(néng)将受到阻碍。在大多(duō)数情况下，電(diàn)源噪声造成的问题既不一致又(yòu)断断续续。就像您想象的那样，这会加剧故障排除，准确诊断和消除问题的能(néng)力。

在電(diàn)源级别解决噪声至关重要的另一个原因是，实际上每个设备都包含一个電(diàn)源。因此，无论您采用(yòng)何种设计，它都极有(yǒu)可(kě)能(néng)会使用(yòng)電(diàn)源，因此容易受到噪声问题的影响。

電(diàn)子设计中的EMI机制

噪声或干扰是電(diàn)子功能(néng)的祸根，而EMI（電(diàn)磁干扰）在该列表中居首位。以下是产生EMI的主要机制：

导電(diàn)耦合是由物(wù)理(lǐ)耦合路径（例如電(diàn)缆或電(diàn)線(xiàn)）创建的直接接触。这也可(kě)能(néng)通过走線(xiàn)或金属外壳在PCB上发生。

辐射耦合是通过在空气中或真空中辐射而产生的。请记住，PCB上的每条走線(xiàn)都是预期的天線(xiàn)，因此是可(kě)能(néng)的耦合路径。

当两个相邻导體(tǐ)之间（例如，在電(diàn)容器中）（即，两个電(diàn)位差除以分(fēn)配空间的极板）之间出现可(kě)变電(diàn)场时，就会发生電(diàn)容耦合。

当两个等效导體(tǐ)之间存在可(kě)变磁场时，就会发生感应耦合。发生的结果产生寄生感应電(diàn)压。

注意：通常，電(diàn)容耦合主要在高压应用(yòng)中，而電(diàn)感耦合则主要在大電(diàn)流应用(yòng)中。

如何降低電(diàn)源噪声

在简化视图中，我们将電(diàn)源噪声定义為(wèi)不希望的周期性纹波和尖峰与来自内部或外部源的随机噪声合并而成的组合。此外，線(xiàn)路调节的设计将控制输入参考纹波的数量。该概念可(kě)与電(diàn)源抑制比（PSSR）相提并论，后者是線(xiàn)性稳压器允许传递到输出的输入信号量。总的来说，它不仅是控制芯片的功能(néng)，而是電(diàn)路整體(tǐ)的功能(néng)。

通常，有(yǒu)三种解决電(diàn)源噪声和减轻纹波的方法。

筛选

我们可(kě)以利用(yòng)滤波器来消除電(diàn)源中的噪声，类似于滤波器可(kě)以消除信号中的噪声。您还可(kě)以将输出電(diàn)容器视為(wèi)滤波过程的一部分(fēn)，因為(wèi)它们的反应与電(diàn)源電(diàn)路的输出阻抗相反。总而言之，输出電(diàn)容的增加可(kě)降低噪声。

注意：请记住，電(diàn)容器同时具有(yǒu)ESR（等效串联電(diàn)阻）和ESL（等效串联電(diàn)感）。使用(yòng)具有(yǒu)较低ESR和ESL的電(diàn)容器将导致较低的噪声。但请记住，某些電(diàn)源会利用(yòng)ESR来提供误差信号以进行反馈。因此，如果将其大幅降低（即通过将電(diàn)解電(diàn)容器与陶瓷電(diàn)容器交换），则会导致電(diàn)源不稳定。

通过传递

绕过電(diàn)源设计中的控制芯片将有(yǒu)助于降低噪声。尽管避开由電(diàn)源供電(diàn)的芯片将不会导致電(diàn)源噪声的减少。但是，它将减少芯片的電(diàn)源引脚。

注意：如果绕过電(diàn)源電(diàn)路中的芯片，请通过将電(diàn)容器放置在電(diàn)源引脚附近并使用(yòng)陶瓷電(diàn)容器来利用(yòng)标准准则。如果可(kě)能(néng)，请使用(yòng)表面贴装電(diàn)容器，因為(wèi)它们的ESL和ESR较低。请记住，实际大小(xiǎo)很(hěn)重要，它与价值一起将决定有(yǒu)效性。

后监管

在電(diàn)源输出上增加第二个低噪声调节器将减轻噪声。这种方法的成本效益较差，这可(kě)能(néng)会阻碍其使用(yòng)。在大多(duō)数情况下，此方法的实现会结合使用(yòng)低压差（LDO）線(xiàn)性稳压器。总之，它可(kě)以将任何输出纹波减小(xiǎo)至少一个数量级或更多(duō)。将LC或RC滤波器与LDO结合使用(yòng)可(kě)进一步降低噪声。

電(diàn)源噪声是電(diàn)子领域所有(yǒu)设计人员不可(kě)否认的关注点。它影响设计各个方面的能(néng)力使得减轻它的需求对于整个设计的成功至关重要。外部噪声源的不可(kě)预测性以及内部威胁使降低噪声成為(wèi)每个设计师或工程师的首要目标。

電(diàn)脑電(diàn)源。

减少電(diàn)源中的噪声并成功进行電(diàn)路设计，取决于拥有(yǒu)正确的PCB设计工具集。无论您是使用(yòng)单面板还是多(duō)层设计，都需要正确的PCB布局和设计软件集