開關(guān)噪聲是由電流突然通斷(ON/OFF)切換引發(fā)的高頻振鈴，尤其常見于開關(guān)電源及高速工作的半導(dǎo)體器件中。這類噪聲雖可通過優(yōu)化電路板布線實(shí)現(xiàn)降噪，但針對(duì)泄漏的輻射噪聲，需采取專門的應(yīng)對(duì)措施。此外，平行布線之間會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_，進(jìn)而引發(fā)感應(yīng)噪聲。本文以DC-DC轉(zhuǎn)換器為例，詳細(xì)闡述開關(guān)噪聲的產(chǎn)生原理、電子電路設(shè)計(jì)中開關(guān)噪聲對(duì)電磁兼容性(EMC)等方面的影響，以及針對(duì)這些問題的有效解決方案。

什么是開關(guān)噪聲?

開關(guān)噪聲是電子電路及電源IC(集成電路)工作過程中，由不必要的電流波動(dòng)引發(fā)的高頻振鈴。這類噪聲常見于DC-DC轉(zhuǎn)換器、AC-DC轉(zhuǎn)換器等高速運(yùn)行的半導(dǎo)體器件中。開關(guān)噪聲可能降低電路穩(wěn)定性，還可能引發(fā)電磁兼容性(EMC)中的電磁干擾(EMI)相關(guān)問題。

開關(guān)噪聲的產(chǎn)生原因

開關(guān)噪聲的常見原因是由開關(guān)電源等可高速通斷的半導(dǎo)體器件工作所導(dǎo)致。由此會(huì)產(chǎn)生急劇的電流或電壓變化，進(jìn)而引發(fā)紋波與噪聲。

噪聲對(duì)策(噪聲消除與降低)

針對(duì)開關(guān)噪聲的降低與消除，可采取以下幾項(xiàng)對(duì)策：

使用濾波器： 通過低通濾波器或高通濾波器，去除不必要的頻率成分。

配置電容器： 在電路的關(guān)鍵位置配置電容器，吸收電壓波動(dòng)。

電路板布局的噪聲對(duì)策： 盡量縮短布線長度，通過優(yōu)化布局降低開關(guān)噪聲(傳導(dǎo)噪聲)。

緩沖電路： 使用緩沖電路吸收振鈴，從而可以降低開關(guān)噪聲(輻射噪聲)。

自舉電路的噪聲對(duì)策： 插入電阻，能夠降低開關(guān)噪聲(輻射噪聲)。

噪聲對(duì)策的重要性

通過采取有效的開關(guān)噪聲對(duì)策，電路的工作會(huì)更加穩(wěn)定，性能也能得到提升。尤其在高精度電子設(shè)備及工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用中，開關(guān)噪聲對(duì)策更是必不可少的。

本文后續(xù)將以DC-DC轉(zhuǎn)換器為例，詳細(xì)講解所產(chǎn)生的共模噪聲和差模噪聲的相關(guān)原因及對(duì)策，此外還會(huì)深入說明串?dāng)_的定義、以及緩沖電路等的輻射噪聲應(yīng)對(duì)方法。理解這一系列內(nèi)容后，便能實(shí)施更高級(jí)別的噪聲對(duì)策。

DC-DC轉(zhuǎn)換器中開關(guān)噪聲的產(chǎn)生原理

開關(guān)噪聲的產(chǎn)生原因，是電子電路或電源IC工作過程中出現(xiàn)的不必要電流波動(dòng)，進(jìn)而引發(fā)高頻振鈴。下面將以DC-DC轉(zhuǎn)換器為例，對(duì)開關(guān)噪聲進(jìn)行說明。

首先，我們將借助同步整流型降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的等效電路，確認(rèn)開關(guān)電流的路徑。

設(shè)高邊開關(guān)為SW1，低邊開關(guān)為SW2。當(dāng)SW1導(dǎo)通(SW2斷開)時(shí)，電流路徑為：輸入電容器→SW1→電感L→輸出電容器。當(dāng)SW2導(dǎo)通(SW1斷開)時(shí)，電流路徑為：SW2→電感L→輸出電容器。下圖展示了這兩種電流路徑的差異，每次開關(guān)導(dǎo)通/斷開(ON/OFF)時(shí)，紅色線路中的電流發(fā)生劇烈變化。由于該回路的電流變化十分陡峭，電路板布線的電感會(huì)在回路內(nèi)引發(fā)高頻振鈴。

下圖展示了電源電路的外接元器件及實(shí)裝電路板的寄生分量與振鈴之間的關(guān)系。

上圖中，電流急劇變化的回路里，用紅色標(biāo)注了寄生分量。

布線存在布線電感，通常每1mm約有1nH的電感量。此外，電容器存在等效串聯(lián)電感(ESL)，MOSFET 的各引腳間則存在寄生電容。受這些因素影響，開關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生紅框圖示所示100MHz至300MHz的振鈴。產(chǎn)生的電流與電壓可通過以下兩個(gè)公式計(jì)算得出：

這種振鈴會(huì)以高頻開關(guān)噪聲的形式產(chǎn)生多種影響。雖然需要采取應(yīng)對(duì)措施，但由于電源IC本身無法去除電路板的寄生分量，因此需通過電路板布線布局及去耦電容器來應(yīng)對(duì)。關(guān)于電路板布局，在DC-DC轉(zhuǎn)換器的“電路板布局”章節(jié) 會(huì)展開詳細(xì)說明。

關(guān)于“ 差模噪聲與共模噪聲 ”“ 串?dāng)_ ”，后續(xù)將進(jìn)行說明。

關(guān)于“共模濾波器”，請(qǐng)參閱本鏈接的內(nèi)容。

差模噪聲與共模噪聲：原因及對(duì)策

開關(guān)噪聲所屬的電磁干擾(EMI)主要分為“傳導(dǎo)噪聲”和“輻射噪聲”兩大類。

傳導(dǎo)噪聲可進(jìn)一步分為兩類：一類是“差模噪聲”，又稱“常模噪聲”。這兩種稱呼有時(shí)可根據(jù)條件區(qū)分使用，但本文中將二者視為同一概念。另一類是“共模噪聲”。下面結(jié)合圖示進(jìn)行說明。由于本文圍繞電源相關(guān)內(nèi)容展開，因此圖示以“將帶有電路的印刷電路板(PCB)裝入外殼，并由外部供電”為例。

需特別注意的是，即使在相同條件下，共模噪聲引發(fā)的輻射強(qiáng)度也遠(yuǎn)大幅高于差模噪聲。

差模(常模)噪聲與共模噪聲

差模噪聲是指噪聲源串聯(lián)于電源線路中，噪聲電流與電源電流流向一致，且產(chǎn)生于電源線路之間的噪聲。由于往返方向相反，故稱為“差模(Differential mode)”。

噪聲電流與電源電流沿同一路徑流動(dòng)

噪聲電壓產(chǎn)生于電源線路之間

共模噪聲是指通過雜散電容等泄漏的噪聲電流，經(jīng)由大地回流至電源線路的噪聲。由于電源正極(+)與負(fù)極(-)側(cè)的噪聲電流流向相同，因此被稱為“共模(Common mode)”噪聲。這類噪聲不會(huì)在電源線路之間產(chǎn)生噪聲電壓。

電源線路之間不會(huì)產(chǎn)生噪聲電壓

電源線路與基準(zhǔn)GND之間會(huì)產(chǎn)生噪聲電壓

電源正極、負(fù)極側(cè)的噪聲電流流向相同

如前所述，這些開關(guān)噪聲屬于傳導(dǎo)噪聲。但由于噪聲電流會(huì)在電源線路中流動(dòng)，因此會(huì)產(chǎn)生噪聲輻射。

由差模噪聲引起的輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度Ed可通過左下方的公式來表示。Id為差模中的噪聲電流，r為到觀測(cè)點(diǎn)的距離，f為噪聲頻率。差模噪聲會(huì)產(chǎn)生噪聲電流環(huán)，因此環(huán)路面積S是非常重要的因素。如圖和公式所示，假設(shè)其他因素固定，環(huán)路面積越大則電場(chǎng)強(qiáng)度越高。

由共模噪聲引起的輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度Ec可通過右下方的公式來表示。如圖和公式所示，線纜長度L是非常重要的因素。

這里，為了確認(rèn)各類噪聲引發(fā)輻射的特征，我們嘗試代入實(shí)際數(shù)值計(jì)算電場(chǎng)強(qiáng)度(*1)。所有條件保持完全一致，電場(chǎng)強(qiáng)度的觀測(cè)點(diǎn)用藍(lán)色圓點(diǎn)來表示。

*1：公式出處——《EMC工學(xué)詳解 實(shí)用降噪技法》，作者：亨利?W?奧特(Henry W. Ott)，東京電機(jī)大學(xué)出版社

差模噪聲的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

假設(shè)頻率100MHz、1μA的差模噪聲電流，在面積為20cm2的回路中流動(dòng)。

則在距離1m處(90度方向)的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算如下：

共模噪聲的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

假設(shè)頻率100MHz、1μA的共模噪聲電流，在20cm的線纜中流動(dòng)。

則在距離1m處(90度方向)的電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算如下：

該計(jì)算結(jié)果的核心要點(diǎn)是：即便噪聲電流值相同，共模噪聲引發(fā)的輻射也遠(yuǎn)比差模噪聲強(qiáng)烈(本示例中約為100倍)。無論如何，若這些傳導(dǎo)噪聲與輻射噪聲(即電磁干擾EMI)超出允許范圍，就必須采取噪聲對(duì)策。尤其需要注意的是，在考慮輻射噪聲對(duì)策時(shí)，針對(duì)共模噪聲的防控尤為關(guān)鍵。

關(guān)于具體對(duì)策，后續(xù)將按順序逐步說明。其中最基礎(chǔ)的原則性對(duì)策如下：對(duì)于差模噪聲，需減小回路面積S(例如將線纜改為絞合線)，對(duì)于共模噪聲，則應(yīng)盡量縮短線纜長度。但實(shí)際應(yīng)用中，往往會(huì)受到安裝布局或材料等因素的限制，因此需考慮增設(shè)濾波器等解決方案。

本節(jié)核心目標(biāo)是讓讀者先理解噪聲的種類與基本特性。

什么是EMC?

“EMC(電磁兼容性)”是什么?關(guān)于其與“EMI(電磁干擾)”“EMS(電磁敏感性)”的含義區(qū)別及使用場(chǎng)景差異，下文進(jìn)行了詳細(xì)說明。

https://techclass.rohm.com.cn/knowledge/emc/s-emc/01-s-emc/6347

串?dāng)_(平行布線間產(chǎn)生的感應(yīng)噪聲)

串?dāng)_指的是在平行布置的布線之間，信號(hào)或噪聲非預(yù)期相互傳遞的現(xiàn)象。這一問題在模擬通信及音頻領(lǐng)域也被稱為“漏話”，尤其在模擬電話中曾是極為常見的問題。此外，該現(xiàn)象還可稱為“混線”或“串音干擾”。

這種不必要的信號(hào)傳遞，是由布線間存在的雜散(寄生)電容及互感引起的。比如說，在印刷電路板(PCB)的薄膜布線等場(chǎng)景中尤為顯著。此類場(chǎng)景下的信號(hào)傳遞通常被歸為“感應(yīng)噪聲”。

串?dāng)_現(xiàn)象的根本原因有兩點(diǎn)：一是雜散(寄生)電容導(dǎo)致的靜電耦合，二是互感引發(fā)的電磁耦合。本文將詳細(xì)講解這些成因機(jī)制、具體應(yīng)對(duì)方法，以及為幫助理解而簡(jiǎn)化的等效電路。

兩種情況均給出了噪聲電壓Vn的公式。該電壓在噪聲源布線(布線1)向鄰近布線(布線2)耦合時(shí)產(chǎn)生。R為電阻值、C為電容值、M為互感系數(shù)、Vs為噪聲源電壓、Is為噪聲源電流。

需明確的是平行布線之間會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_。此外，當(dāng)布線相互垂直時(shí)，寄生電容及互感會(huì)顯著減小。

電容器的抑制開關(guān)噪聲對(duì)策

在對(duì)開關(guān)噪聲的基本理解逐步加深后，接下來我們?cè)敿?xì)學(xué)習(xí)實(shí)際的噪聲對(duì)策。其中，電容器在噪聲抑制中是非常重要的元件。

在“使用電容器的開關(guān)噪聲對(duì)策”中，詳細(xì)介紹了電容器的阻抗特性，以及ESR、ESL等參數(shù)對(duì)噪聲的影響機(jī)制。此外，還介紹了去耦電容器的有效使用方法，以及針對(duì)高頻噪聲抑制的特殊注意事項(xiàng)。

感興趣的讀者，歡迎前往“使用電容器的開關(guān)噪聲對(duì)策”頁面進(jìn)一步了解。該頁面涵蓋了大量實(shí)用知識(shí)，能幫助您在開關(guān)電源的噪聲對(duì)策上更進(jìn)一步，為設(shè)計(jì)更高性能的電子電路提供支持。

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輻射噪聲(噪聲電場(chǎng)強(qiáng)度)的抑制對(duì)策

什么是輻射噪聲(噪聲電場(chǎng)強(qiáng)度)?

在DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)噪聲抑制中，輻射噪聲(噪聲電場(chǎng)強(qiáng)度)是另一項(xiàng)必須考慮的關(guān)鍵內(nèi)容。輻射噪聲由開關(guān)導(dǎo)通與關(guān)斷波形的上升沿/下降沿斜率及振鈴引起，其頻率帶寬約為100MHz～300MHz。

開關(guān)電源電壓上升沿與下降沿的振鈴，主要由MOSFET與輸入電容器之間的布線電感導(dǎo)致。通過優(yōu)化輸入電容器的布局涉及與布線方式，可有效降低此類噪聲。

通過增設(shè)緩沖電路的開關(guān)噪聲對(duì)策

當(dāng)DC-DC轉(zhuǎn)換器電路的輻射噪聲超出設(shè)備必須滿足的合規(guī)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可采取平緩開關(guān)波形和增設(shè)緩沖電路的方法。

增設(shè)緩沖電路是降低開關(guān)噪聲中廣泛應(yīng)用的方法。針對(duì)開關(guān)節(jié)點(diǎn)的噪聲降低，需在輸出端配置緩沖電路;而針對(duì)輸入端噪聲，則需在輸入端增設(shè)緩沖電路。本示例中，通過在開關(guān)節(jié)點(diǎn)與接地端之間增設(shè)電阻與電容，利用電阻消耗開關(guān)振鈴產(chǎn)生的高頻能量，從而實(shí)現(xiàn)振鈴抑制效果。

但是，增設(shè)緩沖電路會(huì)產(chǎn)生額外損耗。若為提升抑制效果而增大電容容量，電阻需滿足相應(yīng)的功率耐受要求。以下是緩沖電路損耗的計(jì)算公式及示例。

緩沖電阻10Ω、煥榮電容1000pF、輸入電壓12V、振蕩頻率1MHz時(shí)的電阻允許損耗：

*電阻額定功率需選用 MCR18(3216)系列：0.25W及以上規(guī)格

自舉電路的噪聲對(duì)策

開關(guān)噪聲的另一個(gè)對(duì)策是“平緩開關(guān)波形的方法”。

采用Nch MOSFET作為高邊開關(guān)的IC，大多配置有BOOT引腳。由于該引腳與開關(guān)節(jié)點(diǎn)相連，通過在引腳處插入電阻，可平緩高邊MOSFET導(dǎo)通時(shí)的電壓上升沿，進(jìn)而抑制開關(guān)噪聲。

總結(jié)：開關(guān)噪聲對(duì)策與電路板布局的重要性

本頁面詳細(xì)闡述了開關(guān)噪聲的相關(guān)細(xì)節(jié)，以及DC-DC轉(zhuǎn)換器中開關(guān)噪聲抑制對(duì)策的核心要點(diǎn)。其中關(guān)鍵原則是“盡量縮短布線長度”，這一措施對(duì)降低開關(guān)噪聲具有顯著作用。

若設(shè)計(jì)的電路及選定的元器件本身無問題，但實(shí)際使用中未能達(dá)到預(yù)期性能，甚至出現(xiàn)無法正常工作的極端情況，此時(shí)應(yīng)優(yōu)先檢查電路板布局。此類問題在工程實(shí)踐中并不少見，需特別注意。

為最大限度減少二次設(shè)計(jì)，提升包含電路板設(shè)計(jì)在內(nèi)的整體設(shè)計(jì)質(zhì)量至關(guān)重要。在布局設(shè)計(jì)中充分考量開關(guān)噪聲的核心防控要點(diǎn)，是確保設(shè)計(jì)成功的關(guān)鍵所在。