线路板设计SMPS噪声和纹波综述

开关电源（SMPS）比线性稳压器更为复杂，但它们是有价值的线路板设计工具。它们提供了更高的效率，节省了能量并使电路保持较低的温度。但是，在设计阶段必须格外小心，以确保它们按预期运行。

在为线路板设计SMPS时，将电路中的噪声降至最低非常重要。具体来说，我们要最小化电压纹波和EMI。虽然列出的大多数示例都适用于降压（降压）转换器，但原理仍然适用于升压（升压）转换器。

电压纹波是指位于稳压直流输出上方的小交流电压。目的是使该电压纹波的幅度最小化，以便为电路的其余部分提供尽可能干净的直流电源。

噪声过多的电源可能会导致数字电路崩溃，或给模拟电路的输出增加噪声。电压纹波还可能使设备靠近其最大工作电压，从而缩短了器件的可靠性和寿命。

多少波纹太多？

纹波阈值取决于电源供电。对于大多数设备来说，50mV至100mV可能是可接受的范围，但有些设备更敏感。图1显示了来自i.MX 6ULZ嵌入式Linux处理器数据表的页面。

图1.恩智浦半导体IMX6ULZCEC

当A7内核以900MHz运行时，VDD_ARM_CAP轨应设置为1.275。但是，它将在1.3V（高25mV）或1.25V（低25mV）下工作。该干线上可接受的电压纹波为25mV。务必始终检查所有零件的数据表，并确保在电源电压和最大值之间留有足够的裕量，这一点很重要。

电磁干扰（EMI）是指可能导致功能线路板中出现问题的有害电磁辐射。SMPS的高频开关使其表现得像辐射天线，发出电信号。这些辐射会干扰其他设备和无线通信。

SMPS电路的布局

正确的布局对于SMPS电路的最佳性能至关重要。快速开关电流会产生交变磁场，这可能会产生一些不利影响。SMPS中的开关电流进入的环路称为“热环路”。我们试图最小化该环路的大小，以限制开关电流产生的EMI。

图2.降压转换器中的热环路。

降压转换器电路的热环路穿过电感器，输出电容器，再经过接地层回到器件接地和输入电容器接地。使热环路尽可能小的最简单方法是使三个接地端（输入端盖，设备端和输出端盖）尽可能靠近。它们应在与组件相同的层上与固体接地层相连，以使路径尽可能短，并且剧烈的开关电流会完全避开内部PCB接地层。

保持交换节点尽可能小也很重要。在降压转换器中，这是IC和电感器之间的走线，在此处电流以开关频率接通和关断。该节点是EMI的主要来源。开关节点的行为就像辐射天线一样，通过限制走线的物理尺寸，可以限制产生的辐射。

许多制造商（以及将组件焊接到PCB的任何人）都会建议在组件焊盘和周围的接地层之间放热。这样可使热量积聚在SMD焊盘或通孔中，从而使焊料可以在那里熔化而无需加热整个接地层。在输入端盖，输出端盖和设备的接地垫上不包括散热装置可能是有利的。当我们想要三个接地连接之间的路径尽可能牢固时，散热措施会阻碍电流路径。

图3.带有散热片的THT垫。

SMPS在PCB上的位置也是一个重要的决定。SMPS电路应放置在尽可能靠近电路板电源输入的位置，并且最好远离电路板上的其他信号。

尽管有些设计人员建议使用“电源地”并将SMPS与电路的其余部分完全分开，但这通常会引起比解决方案更多的问题，通常仅需使电源与其余组件保持一定距离即可。在板子中间任意放置一个降压转换器，靠近敏感信号（例如高速数字或安静的模拟信号）会导致外围电路的性能问题。电源的噪声会与其他信号耦合，并破坏它们正在传输的数据。

过滤输出以最小化纹波

开关电源在其输出上总是会出现一些纹波，但是有简单的方法可以将纹波减小到最低。通过使用额外的电容和铁氧体磁珠对输出进行滤波，可以消除电路中的大量高频噪声，同时使其更有能力应对突然的大电流需求。

该技巧有助于降低噪音，但也是进行原型制作的好工具。在调试和电路板启动期间，在SMPS输出和负载之间使用铁氧体磁珠（或什至0欧姆电阻）之类的串联元件可能非常有帮助。如果电压轨不稳定（或根本不存在），可能很难判断是调节器还是负载。卸下串联元件将使调节器与负载分离。这提供了检查虚负载（例如接地电阻）的电压输出的机会，以及利用外部电源为负载供电的机会。这些实验之一有望使罪魁祸首是谁，以及需要采取什么措施来解决它。

SMPS噪声和纹波综述

本文介绍了SMPS电路中噪声的概念，并阐明了设计人员通常致力于缓解噪声的不同类型。电压轨上的纹波对每个设备供电有不同的要求，其中一些比其他设备更敏感。
编辑：hfy