开关电源中产生的噪声及对策

作者：电信科学技术第十研究所有限公司    吴卫民

摘要：本文以DC-DC转换器为例，详细阐述开关噪声的产生原理，电子电路设计中开关噪声对电磁兼容性（EMC）等方面的影响，以及针对这些问题的有效解决方案。

关键词：开关噪声  振铃  电磁兼容   应对方法   布线电感  杂散电容  串扰  缓冲电路  自举电路

开关噪声是开关电源等可高速通断的半导体器件工作电流突然通断切换引发的高频振铃，进而引发纹波与噪声，这类噪声虽可通过优化电路板布线实现降噪，但针对泄漏的辐射噪声，需采用专门的应对措施。此外，平行布线之间会产生串扰，可以引发感应噪声。

针对开关噪声的降低与消除，可采取以下对策：

*使用滤波器：通过低通滤波器或高通滤波器，去除不必要的频率成分。

*配置电容器：在电路的关键位置配置电容器，吸收电压波动。

*电路板布局的噪声对策：尽量缩短布线长度，通过优化布局降低开关噪声（传导噪声）。

*缓冲电路：使用缓冲电路吸收振铃，从而可以降低开关噪声（辐射噪声）。

*自举电路：插入电阻，能降低开关噪声。

通过采取有效的开关噪声对策，电路的工作会更加稳定，性能也能得到提升，尤其在高精度电子设备中，开关噪声对策更是必不可少的。

以DC-DC转换器为例，讲解所产生的共模噪声和差模噪声的对策，深入说明串扰的定义，以及缓冲电路等的辐射噪声应对方法。

开关噪声的产生原因，是电子电路或电源IC工作过程中出现的不必要电流波动，进而引发高频振铃。由于电路回路的电流变化十分陡，电路板布线的电感会在回路内引发高频振铃。

布线存在布线电感，此外电容器存在等效串联电感（ESL），MOSFET的各引脚间则存在寄生电容。受这些因素影响，开关节点会产生振铃，这种振铃会以高频开关噪声的形式产生多种影响，虽然需要采取应对措施，但由于电源IC本身无法去除电路板的寄生分量，因此需要通过电路板布线布局及去耦电容器来应对。

差模噪声与共模噪声的原因及对策。差模噪声是指噪声源串联于电源线路中，噪声电流与电源电流流向一致，且产生于电源线路之间的噪声。共模噪声是指通过杂散电容等泄漏的噪声电流，经由大地回流至电源线路的噪声，这类噪声不会在电源线路之间产生噪声电压。差模噪声会产生噪声电流环，因此环路面积S是非常重要的因素，环路面积越大则电场强度越高。由共模噪声引起的辐射的电场强度与线缆长度非常相关。对于差模噪声，需减小回路面积（例如将线缆改为绞合线），对于共模噪声，则应尽量缩短线缆长度。但实际应用中，往往会受到安装布局或材料等因素的限制，因此需考虑增设滤波器等解决方案。

串扰指的是在平行布线间产生的感应噪声，信号或噪声非预期相互传递的现象，该现象还称为“混线”或“串音干扰”。这种不必要的信号传递，是由布线间存在的杂散（寄生）电容及互感引起的。此类场景下的信号传递通常归为“感应噪声”。串扰现象的根本原因有两点：一是杂散（寄生）电容导致的静电耦合，二是互感引发的电磁耦合。需明确的是平行布线之间会产生串扰，当布线相互垂直时，寄生电容及互感会显著减少。

使用电容器的噪声对策，噪声分很多种，性质也是多种多样，通过添加电容器来降低目标噪声频率阻抗，从而降低噪声幅度。通过添加电容器来降低噪声时，需要把握噪声的频率，并选择具有相应阻抗的频率特性的电容器。

辐射噪声的抑制对策，在DC-DC转换器的开关噪声抑制中，辐射噪声是另一项必须考虑的关键内容。辐射噪声由开关导通与关断波形的上升沿/下降沿斜率及振铃引起。主要由MOSFET与输入电容器之间的布线电感导致，通过优化输入电容器的布局涉及与布线方式，可有效降低此类噪声。

通过增设缓冲电路的辐射噪声对策，当DC-DC转换器电路的辐射噪声超出设备必须满足的合规标准时，可采取平缓开关波形和增设缓冲电路的方法，增设缓冲电路是降低开关噪声中广泛应用的方法。针对开关节点的噪声降低，需在输出端配置缓冲电路，而针对输入端噪声，则需在输入端增设缓冲电路。通过在开关节点与接地端之间增设电阻与电容，利用电阻消耗开关振铃产生的高频能量，从而实现振铃抑制效果。但是，增设缓冲电路会产生额外损耗，若为提升抑制效果而增大电容容量，电阻需满足相应的功率耐受要求。

自举电路的噪声对策，开关噪声的另一个对策是平缓开关波形的方法。采用MOSFET作为高边开关的IC,大多配置有BOOT引脚，由于该引脚与开关节点相连，通过在引脚处插入电阻，可平缓高边MOSFET导通时的电压上升沿，进而抑制开关噪声。

总结：开关噪声是电子电路及电源IC工作过程中，由不必要的电流波动引发的高频振铃。这类噪声常见于DC-DC转换器、AC-DC转换器高速运行的半导体器件中。开关噪声可能降低电路稳定性，还能引发电磁兼容性（EMC）中的电磁干扰(EMI)相关问题。因此采用多种对策降低与消除开关噪声是极其重要的。

作者介绍：  吴卫民  电信科学技术第十研究所有限公司   高级工程师   主要从事通信设备测试和仪表计量工作

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