【導(dǎo)讀】理解電壓調(diào)節(jié)器的物理特性對于設(shè)計(jì)符合EMI和EMC兼容性要求的電源系統(tǒng)至關(guān)重要。開關(guān)調(diào)節(jié)器(降壓、升壓、反激以及SEPIC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))的物理特性對于元件選擇、電磁設(shè)計(jì)以及PCB布局具有特殊的指導(dǎo)意義。漏感、ESR和ESL的寄生效應(yīng)是優(yōu)化電路性能的關(guān)鍵所在。
大多數(shù)便攜設(shè)備包含電壓調(diào)節(jié)器或其它類型的電源電路，許多非便攜式設(shè)備中使用的小尺寸光刻技術(shù)IC要求較低的供電電壓，也必須由特定的電源電路來提供。然而許多設(shè)計(jì)者并不完全了解，電壓調(diào)節(jié)器和電源電路的選擇對于電池壽命、電磁干擾/電磁兼容(EMI/EMC)規(guī)范的兼容性、甚至產(chǎn)品的基本性能能否達(dá)到設(shè)計(jì)要求都有著重大影響。以下就有關(guān)電源電路中電氣噪聲的產(chǎn)生和傳播機(jī)制及物理原理進(jìn)行討論。
電壓調(diào)節(jié)器
最為普通的功率轉(zhuǎn)換器就是電壓調(diào)節(jié)器。它可以接受一個(gè)在某給定范圍內(nèi)變動的輸入電壓，并產(chǎn)生一個(gè)不變的輸出電壓。電壓調(diào)節(jié)器主要包含兩大類：開關(guān)型和所有其它類型(主要是線性和并聯(lián)型)。不同于開關(guān)型調(diào)節(jié)器，線性和并聯(lián)型的適用范圍很有限，因?yàn)槠漭敵鲭妷罕仨毐３值陀谳斎腚妷?。另外，大多?shù)開關(guān)調(diào)節(jié)器的效率也優(yōu)于對應(yīng)的線性或并聯(lián)型調(diào)節(jié)器。不過，線性/并聯(lián)型調(diào)節(jié)器的低噪聲和簡單性使它們相對于開關(guān)調(diào)節(jié)器更有吸引力。
最簡單的電壓調(diào)節(jié)器是并聯(lián)型調(diào)節(jié)器，它通過調(diào)節(jié)流過電阻的電流，使輸入電壓下降到一個(gè)穩(wěn)定的輸出電平。齊納二極管具有類似功能，但齊納管中的功率消耗過大，且負(fù)載調(diào)整(輸出電壓隨負(fù)載電流的變化)很差。有些并聯(lián)調(diào)節(jié)器允許利用分壓網(wǎng)絡(luò)設(shè)定穩(wěn)定電壓，但通常是作為一個(gè)功能模塊出現(xiàn)在更為復(fù)雜的調(diào)節(jié)器或電源中。一般來講，并聯(lián)調(diào)節(jié)器適合于負(fù)載電流變化不大的低功耗系統(tǒng)。然而，這種狹窄的應(yīng)用范圍可以通過增加一個(gè)有源調(diào)整元件(通常是一個(gè)雙極晶體管)而得以擴(kuò)展，此時(shí)的并聯(lián)調(diào)節(jié)器就轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性調(diào)節(jié)器。
線性電壓調(diào)節(jié)器
線性電壓調(diào)節(jié)器利用一個(gè)有源調(diào)整元件(雙極型或MOSFET)將輸入電壓降低至穩(wěn)定的輸出電壓。這類器件中，低壓差型(LDO)在過去的十年中已十分流行。壓差指維持輸出穩(wěn)定所需的最小電壓差異(輸入和輸出之間)。降落電壓高達(dá)1V的調(diào)節(jié)器一度被稱為LDO，但更典型的壓差值在100mV至300mV之間。
線性調(diào)節(jié)器的輸入電流接近于輸出電流，它的效率(輸出功率除以輸入功率)是輸出/輸入電壓比的函數(shù)。因此，壓差是一個(gè)非常重要的性能，因?yàn)楦偷膲翰钜馕吨叩男?。如果輸入電壓高出輸出很多，或者它在很寬的范圍?nèi)變動，那么就很難獲得比較高的轉(zhuǎn)換效率。除此之外LDO調(diào)節(jié)器還可作為一道屏障來隔離開關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的噪聲(進(jìn)一步討論)。在此用途中，LDO調(diào)節(jié)器的低壓差特性有利于改善電路的總體效率。
開關(guān)調(diào)節(jié)器
如果線性或并聯(lián)型調(diào)節(jié)器的性能不能滿足應(yīng)用要求，那么設(shè)計(jì)者就必須轉(zhuǎn)而考慮開關(guān)型調(diào)節(jié)器。然而，伴隨著性能的改進(jìn)也帶來一些不足之處，例如更大的尺寸和更高的成本，更敏感于(并產(chǎn)生)電氣噪聲，以及復(fù)雜程度的增加等等。
開關(guān)調(diào)節(jié)器或電源所產(chǎn)生的噪聲以傳導(dǎo)或輻射的形式出現(xiàn)。傳導(dǎo)型噪聲表現(xiàn)為電壓或電流形式，它們還可進(jìn)一步分類為共模或差模傳播方式。更為復(fù)雜的是，連接線上有限的阻抗會將電壓傳播轉(zhuǎn)換為電流傳播，反之亦然，并且差模傳播也會產(chǎn)生出共模傳播噪聲，反之亦然。
一般來講，你可以降低上述一種或多種傳播類型的噪聲使電路得到優(yōu)化。傳導(dǎo)型噪聲對于固定系統(tǒng)的影響往往比對便攜式系統(tǒng)更為嚴(yán)重。因?yàn)楸銛y式設(shè)備依靠電池工作，它的負(fù)載和電源沒有傳播傳導(dǎo)型噪聲的外部連接。
為了理解開關(guān)調(diào)節(jié)器中的噪聲源，必須首先了解其工作原理。對于各種類型開關(guān)調(diào)節(jié)器的描述超出了本文的涉及范圍。不過，基本上各種開關(guān)調(diào)節(jié)器都是利用有源元件(晶體管和二極管)在儲能元件(電感和電容)之間往復(fù)傳送電流，最終實(shí)現(xiàn)源端電壓/電流到負(fù)載端電壓/電流的轉(zhuǎn)換。為方便描述，采用MAX1653 DC/DC轉(zhuǎn)換控制器構(gòu)成典型的同步整流、降壓型轉(zhuǎn)換器(圖1)。
圖1. 圖中所示的降壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器采用外接的開關(guān)管(N1)和同步整流器(N2)
正常工作期間，該電路在高端開關(guān)(N1)導(dǎo)通時(shí)從輸入向輸出傳送電流，而在N1關(guān)斷、同步整流器(N2)導(dǎo)通時(shí)由電感繼續(xù)傳送。粗略假定所有元件都是理想的，可以得到近似一階的電流和電壓波形(圖2)，這些元件的寄生效應(yīng)將在后續(xù)部分中考慮進(jìn)來。
圖2. 這些工作波形基于圖1電路中所有元件具有理想特性的假設(shè)后得出
由于N1僅在一部分時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，從源端和輸入電容(CIN)的位置看來電流是不連續(xù)的。CIN在N1導(dǎo)通時(shí)提供超出部分電流(IL - IINPUT)，而在N1關(guān)斷時(shí)由輸入電流儲存電荷。如果CIN為無限大，且具有零等效串聯(lián)電阻(ESR)和零等效串聯(lián)電感(ESL)，它兩端的電壓將在上述充電和放電周期中保持恒定。當(dāng)然，實(shí)際電壓會在每個(gè)周期間波動。電流脈沖根據(jù)電導(dǎo)率關(guān)系，以等于或高于轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的速度，在CIN和輸入源之間進(jìn)行分配。
降低這種傳導(dǎo)型噪聲的一種最直接的方法是：在輸入端連接低阻抗旁路電容。另外一種靈巧一點(diǎn)的辦法更為節(jié)省成本和電路板空間：增加電源和轉(zhuǎn)換器之間的阻抗，并確保必要的直流電流能夠不受阻礙地通過。最佳的阻抗元件是電感器，但應(yīng)確保轉(zhuǎn)換器的輸入阻抗在最高至環(huán)路的轉(zhuǎn)折頻率時(shí)都保持較低的水平(大多數(shù)DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器的環(huán)路轉(zhuǎn)折點(diǎn)位于10kHz到100kHz間)。否則的話，輸入電壓的波動會導(dǎo)致輸出電壓不穩(wěn)定。
輸出電容(COUT)上的紋波電流要比CIN上的低得多，不但幅度較低，而且(不同于輸入電容)電流是連續(xù)的，因此也就具有比較少的諧波成分。通常，每匝線圈都被一層絕緣物質(zhì)覆蓋，這就在各匝線圈之間形成了一個(gè)小的電容。這些雜散電容串聯(lián)疊加后形成一個(gè)和電感相并聯(lián)的小等效電容，它提供了一條將沖擊電流傳導(dǎo)至COUT和負(fù)載的通路。這樣，開關(guān)節(jié)點(diǎn)處(LX)電壓波形的不連續(xù)跳變沿就會向COUT和負(fù)載傳送高頻電流，結(jié)果常常是在輸出電壓上形成毛刺，能量分布于20MHz至50MHz范圍。
這種類型轉(zhuǎn)換器的負(fù)載常常是對于傳導(dǎo)噪聲敏感的某種形式的微電子電路，不過幸運(yùn)的是，轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)噪聲在輸出端比起輸入端來更容易控制。和輸入端一樣，輸出傳導(dǎo)噪聲也可以利用低阻抗旁路或第二級濾波來加以控制，第二級(后端)濾波器的使用應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎。輸出電壓是控制環(huán)路中的一個(gè)控制變量，輸出濾波器給環(huán)路增益附加了延時(shí)或相移(或兩者)，有可能使電路不穩(wěn)定。如果一個(gè)高Q值LC后端濾波器被置于反饋點(diǎn)之后，電感的電阻將會降低負(fù)載調(diào)整特性，并且瞬態(tài)負(fù)載電流會引起輸出振蕩。
其它拓?fù)?/strong>
其它類型的開關(guān)轉(zhuǎn)換器具有與降壓轉(zhuǎn)換器類似的問題。以升壓型轉(zhuǎn)換器(圖3)為例，此種類型轉(zhuǎn)換器的基本結(jié)構(gòu)類似于降壓型轉(zhuǎn)換器，只不過輸入和輸出易位。這樣，出現(xiàn)于降壓轉(zhuǎn)換器輸入端的問題也會出現(xiàn)在升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端，反之亦然。
圖3. 這個(gè)升壓型開關(guān)調(diào)節(jié)器缺省同步整流器，但仍然相似于輸入和輸出互換的降壓型結(jié)構(gòu)。
降壓轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用具有局限性，因?yàn)槠漭敵鲭妷罕仨毜陀谳斎腚妷?。類似地，升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓必須高于其輸入電壓。當(dāng)輸出電壓落在輸入電壓范圍之間時(shí)，就給這兩種拓?fù)涞霓D(zhuǎn)換器造成一些困難。反激式轉(zhuǎn)換器拓?fù)淇梢越鉀Q這個(gè)問題(圖4)。
圖4. 反激式調(diào)節(jié)器在輸入范圍高于和低于輸出電壓的情況下都可保持穩(wěn)定的輸出
反激式轉(zhuǎn)換器輸入、輸出端的電流均不連續(xù)，這使傳導(dǎo)型噪聲更加難以控制，這種轉(zhuǎn)換器的噪聲特性通常比升壓型或降壓型更差。存在于這種轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)問題是，變壓器上每個(gè)繞組中的電流都不連續(xù)。這種不連續(xù)電流作用于變壓器漏感就會產(chǎn)生高頻電壓尖刺，它可以傳播到其它電路。初、次級線圈之間的空間間隔是造成漏感的主要原因。也就是說，漏感是由空氣中的磁場引起的(因?yàn)榇判局械拇艌鐾瑫r(shí)耦合至初級和次級線圈)。因此，因漏感而產(chǎn)生的電壓尖刺會產(chǎn)生電磁輻射。
另一種解決輸入和輸出電壓交疊問題的方法是采用單端主電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)拓?fù)?。SEPIC轉(zhuǎn)換器類似于反激式電路，只是在變壓器初級和次級線圈間連接了一個(gè)電容(圖5)。在反激電流被切斷時(shí)，這個(gè)電容提供了一條初級和次級線圈的續(xù)流通路，由于初級和次級線圈中的電流變?yōu)檫B續(xù)，因此改善了反激式電路的性能。從另一方面講，增加反激式電路的輸入輸出電容通常也可以有效改善其噪聲性能，使這種拓?fù)淇梢员唤邮?。如果傳?dǎo)噪聲和輻射噪聲可能會成為問題的話，那么SEPIC電路要優(yōu)于反激式。
圖5. 不同于非常相似的反激式調(diào)節(jié)器，單端主電感轉(zhuǎn)換器(SEPIC)具有連續(xù)的初級和次級電流，所產(chǎn)生的噪聲更低。
線性后端調(diào)節(jié)
有些應(yīng)用要求輸出噪聲非常小，而又無法接受線性調(diào)節(jié)器的低效率。這種情況下，采用開關(guān)調(diào)節(jié)器后接線性調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)可能會比較適合。后端調(diào)節(jié)器可以削弱開關(guān)調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的高頻噪聲，最終的噪聲性能可以接近于一個(gè)單獨(dú)的線性調(diào)節(jié)器。由于大部分電壓轉(zhuǎn)換由開關(guān)調(diào)節(jié)器完成，因而效率的損失要比完全采用線性調(diào)節(jié)器時(shí)小得多。
這種方案也可以用于在輸入輸出電壓范圍有重疊的應(yīng)用中，替換反激式和SEPIC轉(zhuǎn)換器。當(dāng)輸入電壓低于輸出時(shí)升壓轉(zhuǎn)換器工作，而當(dāng)輸入高于輸出時(shí)線性調(diào)節(jié)器發(fā)揮作用。升壓轉(zhuǎn)換器和低壓差(LDO)線性調(diào)節(jié)器可以被組合到單片IC中(圖6)。這種器件具有一種跟蹤模式，使升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓總是高出LDO輸出電壓300mV。這樣，LDO調(diào)節(jié)器能夠保證具有足夠的PSRR和電壓裕量(輸入減輸出)，可以在各種情況下抑制升壓轉(zhuǎn)換器的輸出噪聲。
圖6. 作為第三種選擇方案，此IC結(jié)合了一個(gè)開關(guān)型調(diào)節(jié)器(用于升壓)和一個(gè)線性調(diào)節(jié)器(用于降壓)，當(dāng)輸入電壓范圍跨越輸出電壓時(shí)可以保持穩(wěn)定的輸出。
共模噪聲
按照定義，共模傳導(dǎo)噪聲在輸入或輸出端的兩條連接線上相位相同。一般來講，它僅對那些和大地有連接通路的固定系統(tǒng)造成影響。在一個(gè)帶有共模濾波器的典型離線式電源中(圖7)，共模噪聲的主要來源是MOSFET。MOSFET通常是電路中的主要耗能元件，很多情況下它需要配散熱器。
圖7. 在這個(gè)典型的離線式電源中，共模濾波器可降低輸入和輸出兩側(cè)的噪聲。
TO-220器件的散熱片連接于MOSFET漏極，而大多數(shù)情況下，散熱器會向大地傳導(dǎo)電流。由于MOSFET與散熱器電氣隔離，它和大地之間具有一定的分布電容。隨著開關(guān)的打開和關(guān)斷，迅速變化的漏極電壓會通過分布電容(CP1)向大地發(fā)送電流。由于交流電線和大地之間的低阻抗，這種共模電流會通過交流輸入流入大地。變壓器也會通過分布于隔離的初、次級繞組間的電容(CP2A和CP2B)傳導(dǎo)高頻電流。這樣，噪聲會同時(shí)傳向輸出端和輸入端。
圖7中，共模傳導(dǎo)噪聲被安置在噪聲源(電源)和輸入或輸出之間的共模濾波器抑制。共模扼流圈(CML1和CML2)通常是在單一磁芯上按圖中所示極性繞制而成。負(fù)載電流和驅(qū)動電源的入線電流都是差模電流(電流由一條線流入另一條線流出)。在這種由單一磁芯繞制的共模扼流圈中，差模電流產(chǎn)生的磁場互相抵消，因此可以使用較小的磁芯，因?yàn)槠渲械膬δ芎苄 ?/div>
許多為離線式電源設(shè)計(jì)的共模扼流圈采用空間上分離的線圈繞成。這種結(jié)構(gòu)增加了一定的差模電感，這有助于降低傳導(dǎo)型差模噪聲。由于磁芯同時(shí)穿過兩組線圈，所以由差模電流和電感產(chǎn)生的磁場主要存在于空氣中而非磁芯中，這會導(dǎo)致電磁輻射。
產(chǎn)生于電源所帶負(fù)載的共模噪聲會經(jīng)由變壓器中的分布電容(CP2A和CP2B)，穿過電源向交流電網(wǎng)傳播。在變壓器中增加法拉第屏蔽(初、次級之間的接地層)可以降低這種噪聲(圖8)。屏蔽層的引入在初級和次級線圈與地之間分別形成了分布電容，這些電容將共模電流旁路到地，而不再穿過變壓器。
圖8. 初級和次級之間的法拉第屏蔽可以阻斷通過變壓器繞組間分布電容的共模噪聲
正如傳導(dǎo)噪聲總是以電壓或電流的形式出現(xiàn)，輻射噪聲則是表現(xiàn)為電場或磁場的形式。然而，由于電磁場存在于空間而非導(dǎo)體中，因此也就沒有差分或共模之別。電場存在于兩個(gè)電位之間的空間中，磁場圍繞通過空間的電流而存在。兩種場可存在于一個(gè)電路中，因?yàn)殡娙菥褪且噪妶龅男问絻δ芏姼?變壓器則以磁場的形式儲存/耦合能量。
電場
由于電場存在于兩個(gè)具有不同電位的表面或?qū)嶓w之間，因此，只需要用一個(gè)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電路板上設(shè)置接地層。電場強(qiáng)度正比于表面之間的電位差，并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(gè)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。電容儲能于電場中，這樣，當(dāng)靠近一個(gè)電容設(shè)置接地層時(shí)就在導(dǎo)體和地之間形成一個(gè)電容。導(dǎo)體上的大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，來源最有可能位于系統(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(gè)問題，因?yàn)樗鼈兂３Ｒ蟠竺娣e電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
電場相對比較容易控制，但磁場就完全不同了。采用高磁導(dǎo)率(µ)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回路的尺寸，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，但它們還增加了導(dǎo)線的電感，這會在載有高頻電流的線上引起電壓尖刺。
電感
沒有電感或變壓器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的電路設(shè)計(jì)者傾向于選擇商品化的變壓器和電感。盡管如此，了解一點(diǎn)磁性材料方面的知識將有助于設(shè)計(jì)者針對具體應(yīng)用做出最適當(dāng)?shù)倪x擇。
降低電感散射的關(guān)鍵是選用高磁導(dǎo)率的材料，以便使磁場局限于磁芯中而不向周圍空間散射。在高磁導(dǎo)率介質(zhì)中，磁場密度幾乎隨著磁導(dǎo)率正比增加。這很象是并聯(lián)的電導(dǎo)：當(dāng)一個(gè)1S的電導(dǎo)(即1Ω電阻)和一個(gè)1mS的電導(dǎo)(1kΩ電阻)并聯(lián)時(shí)，其中的電流將是1mS電導(dǎo)中電流的1000倍。一個(gè)1000µ、1in²的磁芯相比于一個(gè)1µ、1in²的磁芯，其中的磁場密度之比例為1000:1。高磁導(dǎo)率介質(zhì)不能儲存很多能量，所以，為了縮小電感尺寸，常常采用帶有氣隙的高磁導(dǎo)率磁芯。
為方便理解，參見圖9。參量B (X軸)正比于V×t/N，其中N為線圈匝數(shù)。參量H (Y軸)正比于N×i。這樣，曲線的斜率(正比于µ)也就正比于電感(L = V/[di/dt])。為這個(gè)鐵氧體磁芯(或其他類型的高磁導(dǎo)率磁芯)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(½LI²)增加了。這種增加也可以通過給電感施加一個(gè)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×i)dt的積分。因?yàn)閷τ趲в袣庀兜拇判荆瑯拥碾妷汉蜁r(shí)間下總是具有更高的電流，所以相應(yīng)的儲能也更高。
圖9. 鐵氧體磁芯增加氣隙后迫使磁通透出磁芯，使電感或變壓器儲能于器件周圍的磁場中。
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(gè)原因，在很多對噪聲敏感的應(yīng)用中不被采用。軸狀磁芯(線軸狀的鐵氧體)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)中心柱或軸(圖10)，可以在上面開出一個(gè)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。
圖10. 不同幾何形狀的磁芯具有不同的儲能能力、磁輻射和組裝難易程度，它們均可增加氣隙。
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)率金屬粉末混合后壓制成型。被非磁性填充物分隔的金屬粉末顆粒中有小的氣隙，能夠產(chǎn)生均勻分布在整個(gè)磁芯的總“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)線圈繞滿磁環(huán)整個(gè)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，繞制比較困難，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。這種磁芯所產(chǎn)生的磁輻射高于上述分布?xì)庀妒酱判荆湫偷膸庀洞怒h(huán)具有比較低的能損，因?yàn)樗鼈兎忾]磁場的能力要優(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
變壓器具有許多和電感共有的局限，因?yàn)樗鼈儾捎猛瑯拥拇判纠@制而成。除此之外，變壓器還有一些獨(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(圖11)，繞組間的分布電容等效為電容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(lì)磁電感LM的作用很重要，因?yàn)檫^高的勵(lì)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。
圖11. 變壓器等效模型中的分布元件使其理想工作特性發(fā)生變化
漏感是由僅匝鏈一個(gè)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和變壓器(就象前面討論的共模扼流圈)中有意將這個(gè)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(gè)繞組的磁通將兩個(gè)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(gè)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(gè)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 = ½LI²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 = ½LI²f。
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，這就要求非常高的勵(lì)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。
布局
元件的選擇對于控制EMI至關(guān)重要，但電路板的布局和互連也具有同等重要的影響。尤其是對于高密度、采用多層電路板的開關(guān)電源，元件的布局和走線對于電路的正常工作具有重要的影響。功率的切換可以在連接線上產(chǎn)生很大dV/dt和di/dt的信號，它可以耦合到其它連線上造成兼容性問題。不過，只要在關(guān)鍵回路的布局方面多加注意，就可避免兼容性問題以及花費(fèi)很大代價(jià)去對電路板進(jìn)行修改。
對于一個(gè)系統(tǒng)來講，輻射型和傳導(dǎo)型電磁干擾很容易區(qū)分，但具體到某快電路板或某段導(dǎo)線，問題就變得復(fù)雜了。相鄰連線之間會有電場的耦合，同時(shí)也會通過分布電容傳導(dǎo)電流。同樣地，連線之間也會象變壓器一樣通過磁場發(fā)生耦合。這種相互作用可以利用集中元件進(jìn)行描述，也可以采用電磁場理論進(jìn)行分析。具體采用何種方法取決于系統(tǒng)的精確度要求。
串?dāng)_
兩個(gè)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(gè)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(gè)減小導(dǎo)體間耦合的辦法是增加一個(gè)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。
必須保證接地層不向電路的敏感部分耦合噪聲。例如，輸入、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入到其它層面上去。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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)適當(dāng)?shù)呐月贰?/div>
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。等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)可能會使電容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，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12a中，與電容串聯(lián)的那段線條會增加ESR和ESL，增大了高頻阻抗，使電容作為高頻旁路的效果大打折扣。更好的布線方式是使線條直接通過電容，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。
圖12. 較差的旁路布線(a)使線條電感和電阻附加到電容中。而在較好的布線中(b)，線條的分布參數(shù)加強(qiáng)了電容的濾波效果。
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(gè)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(gè)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(gè)極點(diǎn)。因?yàn)榉謮浩魇强刂骗h(huán)的一部分，這個(gè)極點(diǎn)就成為環(huán)路特性的一部分。如果極點(diǎn)頻率不超過轉(zhuǎn)折頻率的一個(gè)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。
電感
開關(guān)電源中經(jīng)常要快速切換電流。這些電流通路上的分布電感就會產(chǎn)生較大的噪聲電壓，它們會耦合到敏感電路中或給元件造成電壓應(yīng)力。承載直流電流的導(dǎo)線很少有問題，因?yàn)橹绷鞑粫a(chǎn)生電壓尖刺，或向其它導(dǎo)線耦合交流干擾。舉例來講，一條與電感串聯(lián)的導(dǎo)線一般不會有問題，因?yàn)榉植茧姼幸入姼械臄?shù)值小得多。大值串聯(lián)電感會阻止不連續(xù)電流通過。
如果一個(gè)電路產(chǎn)生了不連續(xù)電流，就要設(shè)法防止其通過大的環(huán)路。電流環(huán)越大其電感量越大，隨之而產(chǎn)生的磁場輻射也就越大。這個(gè)原則同樣適用于元件的布局，因?yàn)殡娏鹘?jīng)常是在有源器件之間進(jìn)行切換的，例如晶體管和二極管。
考慮圖1所示的降壓型轉(zhuǎn)換器。當(dāng)高端MOSFET開關(guān)(N1)打開時(shí)，電流通過輸入、N1、電感流向負(fù)載。N1關(guān)斷后，二極管(D)接續(xù)電流直到同步整流器(N2)打開。接著由N2傳導(dǎo)電流直到它被關(guān)斷，然后，由二極管接續(xù)電流，一直到下一個(gè)開關(guān)周期啟動。注意到流過電感和輸出電容的電流是連續(xù)的，因此不會是噪聲的主要來源。如果N1、N2和D彼此離開一定距離放置，那么在它們之間迅速切換的電流一定會在周圍環(huán)境中引發(fā)快速變化的電磁場。因?yàn)楦袘?yīng)電壓正比于磁場的變化速率(dΨ/dt)，迅速波動的磁場就會產(chǎn)生大幅度的電壓尖峰。
需要注意，高頻電流將由輸入端電源和輸出端負(fù)載來承載。它應(yīng)該由輸入和輸出電容旁路掉；否則的話，它們就會通過輸入或輸出連接線(或兩者同時(shí))，參見傳導(dǎo)噪聲部分。輸入和輸出旁路電容的阻抗很重要。它們應(yīng)該有足夠大的容量以保持比較低的輸入和輸出阻抗，但比起容量較小的陶瓷電容，較大容量的電容(例如鉭或鋁電解)具有更高的ESR和ESL。所以，必須確保電容在所關(guān)心的頻率下具有足夠低的阻抗。
一種選擇是將陶瓷電容和電解或鉭電容相并聯(lián)，因?yàn)樘沾呻娙菰诟哳l下具有較低的阻抗。不過，多數(shù)情況下，這種方式不如將多個(gè)電解或鉭電容并聯(lián)，以降低ESR和ESL，或者并聯(lián)多個(gè)陶瓷電容以增加總電容量。
本文來源于Maxim。
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