【導讀】隨著電力電子技術的不斷創新，開關電源技術也在不斷地提升。時至今日，開關電源已經以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用在幾乎所有的電子設備中，是當今電子信息產業飛速發展過程中不可或缺的一種電源方式。但是開關電源的EMC的問題一直是一個頭疼的事。
一、背景
隨著電力電子技術的不斷創新，開關電源技術也在不斷地提升。時至今日，開關電源已經以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用在幾乎所有的電子設備中，是當今電子信息產業飛速發展過程中不可或缺的一種電源方式。但是開關電源的EMC的問題一直是一個頭疼的事。
二、開關電源噪聲產生的原因
那么開關電源噪聲產生的原因有哪些呢？
（1） 穩壓電源芯片輸出的電壓不穩定，會產生一定的紋波。
穩壓電源芯片輸出不穩定電壓有可能是穩壓芯片的直流輸出端產生誤差、電源噪聲的峰值幅度造成開關頻率的上升沿或下降沿出現錯誤。而紋波的產生是在穩壓電源芯片輸出的不穩定造成電源噪聲余量不足，使得紋波的產生。
（2） 穩壓電源無法實現對后端負載對于電流的需求的快速變化及時響應。
穩壓電源芯片通過感知其輸出電壓的變化，調整其輸出電流，從而把輸出電壓調整回額定輸出值。多數常用的穩壓源調整電壓的時間在毫秒到微秒級別。因此，對于負載電流變化頻率在直流或幾百KHz之間時，穩壓源可以很好的做出調整，保持輸出電壓的穩定。當負載瞬態電流變化頻率超出這一范圍時，穩壓源的電壓輸出會出現跌落，從而產生電源噪聲。
（3） 負載瞬態電流在電源路徑和地路阻抗上產生一定的壓降。
三、抑制開關電源噪聲的措施
（1） 對于第一種開關電源產生的噪聲，是芯片自身決定的，因此這種噪聲我們只能接受，但是選擇好一點的穩壓電源芯片是必要的。這樣就可以減少部分噪聲，接受的噪聲必然不會太高。
（2） 對于第二種電源噪聲的產生可以在負載前并聯一個電容。
圖1 電容去耦電路
當負載電流不變時，其電流由穩壓電源部分提供，即圖1的I0，方向如圖所示。此時電容兩端電壓與負載兩端電壓一致，電流Ic為0，電容兩端存儲相當數量的電荷，其電荷數量和電容量有關。當負載瞬態電流發生變化時，由于負載芯片內部晶體管電平轉換速度極快，必須在極短的時間內為負載芯片提供足夠的電流。但是穩壓電源無法很快響應負載電流的變化，因此，電流I0不會馬上滿足負載瞬態電流要求，因此負載芯片電壓會降低。但是由于電容電壓與負載電壓相同，因此電容兩端存在電壓變化。對于電容來說電壓變化必然產生電流，此時電容對負載放電，電流Ic不再為0，為負載芯片提供電流。根據電容等式：
只要電容量C足夠大，只需很小的電壓變化，電容就可以提供足夠大的電流，滿足負載瞬態電流的要求。這樣就保證了負載芯片電壓的變化在容許的范圍內。這里，相當于電容預先存儲了一部分電能，在負載需要的時候釋放出來，即電容是儲能元件。儲能電容的存在使負載消耗的能量得到快速補充，因此保證了負載兩端電壓不至于有太大變化，此時電容擔負的是局部電源的角色。
可以從另一個層面去理解這個電容充當電源的角色。如圖2所示，從AB到電源這邊看，可以把電源和電容等效成一個電源如圖3所示的等效電路。
圖2 電源電路
圖3 等效電路
這樣設計目標是，不論AB兩點間負載瞬態電流如何變化，都要保持AB兩點間電壓變化范圍很小，根據公式：
這個要求等效于電源系統的阻抗Z要足夠低。在圖2中，我們是通過去耦電容來達到這一要求的，因此從等效的角度出發，可以說去耦電容降低了電源系統的阻抗。
（3） 對于第三種的開關電源的噪聲，PCB板上任何電氣路徑不可避免的會存在阻抗，不論是完整的電源平面還是電源引線。對于多層板，通常提供一個完整的電源平面和地平面，穩壓電源輸出首先接入電源平面，供電電流流經電源平面，到達負載電源引腳。地路徑和電源路徑類似，只不過電流路徑變成了地平面。因此一個好的完整的地平面是非常必要的。
四、總結
雖然開關電源的應用非常廣泛，但是開關電源的EMI問題也是最主要的。本文主要分析了開關電源噪聲產生的三個原因，以及對應的措施，后續還會繼續給大家帶來更多有關于電源噪聲的文章，歡迎大家持續關注。
（來源：韜略科技EMC）
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