讨论设计电源方案的降低开关电源噪声简单设计技术

首先，线路板设计带有开关模式电源（SMPS）的电路可能会令人生畏，尤其是在尝试降低噪声时。

我们了解SMPS电路中噪声（波纹和EMI）的概念，以及电路的布局和可以减轻噪声的简单设计技术。我们将从更大的系统角度讨论噪声。在一块板上放置多个开关模式电源可能会带来新的挑战，我们将讨论设计电源方案的方式，以使这些电源不会相互干扰。

SMPS并非旨在独立存在。它是大型系统的一部分。应仔细评估基于可用电压和所需电压的整体电源架构，以获取最有效，最具成本效益和最实用的结果。

例如，假设您有一个12V的电源轨，并需要3.3V的I / O轨，一个1.8V的RAM轨和一个1.2V的处理器核心电源轨。您可以选择从具有更大电流能力的降压转换器中获得3.3V电源轨，而不是使用三个降压转换器来获得每个所需的输出，然后使用线性稳压器将3.3V电源轨作为产生的1.2V和1.8V输入。

另一种选择是通过降压转换器产生3.3V，然后级联LDO从3.3V产生1.8V，从1.8V产生1.2V。由此产生的电路在纹波和EMI方面可能更安静。尽管线性稳压器的效率远低于其开关模式表亲，但它们确实具有优势。它们通常更便宜，需要更少的电路板空间以及需要更少的无源组件来运行。

线性稳压器还具有抑制输入上存在的噪声的能力。此度量标准称为电源抑制比（PSRR），它表示输入电压纹波和输出电压纹波之间的比率，以分贝为单位。通常，它们约为40-60dB，但有些可能会高达90dB或更高。一个非常敏感的网络（例如对于RAM或内核电压）具有更严格的电压纹波要求，并且通过LDO对其供电是一种将纹波降至最低的方法。

在一块电路板上放置多个SMPS时，同步其时钟可能会很有用。SMPS器件通常控制自己的内部MOSFET的开关，同时通常允许设计人员使用外部元件选择该开关频率。但是，某些降压/升压器件带有“ SYNC”引脚—用于外部时钟信号的引脚。

所有电源都应使用相同的开关频率，并且应考虑信号的相位。这意味着电源应全部同时开关（馈给相同的时钟信号，可能是由微控制器产生的），或者应该一个接一个地依次切换（由一个多相振荡器产生，例如LTC6902）。

图1. LTC6902生成的一个3相（信号之间的120°相移），1 MHz时钟信号，每个3相具有33％的占空比

选择开关频率是设计开关电源的最重要因素之一。该主题已被涵盖很多次，包括在文章“如何在所有电路上选择开关稳压器的频率”中。

通常，较高的开关频率将导致较低的电压纹波。但是，每个电路的切换速度都有一个上限。这由最短的接通时间决定，这是设备可以使开关保持闭合状态的最短时间。

V out = t on（min） x V In x F S（max） xη

根据数据表中的已知输入电压（VI n），所需输出电压（Vout），效率（η）和最小导通时间（t on（min）），器件的最大开关频率（F S（max）），可以计算出给定的设计。对于时钟将被同步的多个开关调节器，开关频率不得超过计算出的最小F S（max）。

虽然它可能与EMI或电压纹波没有直接关系，但SMPS在板上的位置会影响系统性能。最好将开关模式电源放置在尽可能靠近电压输入的位置，并使电源远离敏感信号，例如高速数字信号（例如，以太网和USB）或模拟信号（例如，音频）或模拟传感器），可能会因开关噪声而损坏。

一些设计人员建议使用“开关接地”（类似于模拟和数字接地的概念），但是分开的接地会给经验不足的设计人员带来麻烦。适当的设计，布局和在PCB上的位置都可以完成工作。

降低SMPS噪声的其他方法

对于在敏感环境中使用的电路（其中存在其他易受影响的设备或其他会产生EMI的设备），在PCB上包括EMI屏蔽会很有帮助。该屏蔽层就像放在敏感或EMI产生组件上的导电金属盒一样简单。这些防护罩可以直接购买，可以在其周围设计布局，也可以定制设计（大量或手工切割或折叠成一定尺寸的金属板制成）。

图2. EMI屏蔽。

在定制PCB上也可以部署许多现成的SMPS解决方案。这些模块可以节省电路板空间和设计复杂性，但需要付出较高的代价。
编辑：hfy