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上一篇中,我们对电源电路的分类、线性电源电路的设计、开关电源进行了讲解介绍,那么,这一篇我们主要讲的是在复杂的电子系统中电源带来的严重问题:即噪声(电磁干扰)。一般来说,噪声分为两类,内部噪声和外部噪声。其中,内部噪声是不可避免的,每个电子设备都会产生内部噪声。另外,还有如热和闪烁等噪声的不同类别。具体来说,热噪声是由粒子的随机热运动引起的,这种运动称为扩散,热噪声的存在没有外部电压连接。与之不同的是,闪烁噪声是由粒子电流的随机变化引起的,这种运动称为漂移。漂移是由外部电压引起的,这意味着没有外部电压就不可能存在闪烁噪声。
电源会产生噪声(电磁干扰),电磁干扰是会干扰系统性能的电磁信号。这种干扰通过电磁感应、静电耦合或传导来影响电路。它对汽车、医疗以及测试与测量设备制造商来说,是一项关键设计挑战。目前许多限制和不断提高的电源性能要求(功率密度增加、开关频率更高以及电流更大)只会扩大噪声(电磁干扰)的影响,因此需解决方案来减少噪声(电磁干扰)。
一、对于开关电源来说就是在选择电源的时候要考虑用隔离还是非隔离的电源方案。在进行讨论之前,我们先了解下隔离与非隔离的概念,及两者的主要特点。
1、电源隔离与非隔离的概念
(1)隔离电源:电源的输入回路和输出回路之间没有直接的电气连接,输入和输出之间是绝缘的高阻态,没有电流回路。
(2)非隔离电源:输入和输出之间有直接的电流回路,例如,输入和输出之间是共地的。
2、隔离电源与非隔离电源的优缺点对于常用的电源拓扑而言,非隔离电源主要有:Buck、Boost、Buck-Boost等;而隔离电源主要有各种带隔离变压器的反激、正激、半桥、LLC等拓扑。
(1)隔离模块的可靠性高,但成本高,效率差点。
(2)非隔离模块的结构很简单,成本低,效率高,安全性能差。
因此,在如下几个场合,建议用隔离电源:
(1)涉及可能触电的场合,如从电网取电,转成低压直流的场合,需用隔离的AC-DC电源;
(2)串行通信总线通过RS-232、RS-485和控制器局域网(CAN)等物理网络传送数据,这些相互连接的系统每个都配备有自己的电源,而且各系统之间往往间隔较远,因此,我们通常需要隔离电源进行电气隔离来确保系统的物理安全,且通过隔离切断接地回路,来保护系统免受瞬态高电压冲击,同时减少信号失真;
(3)对外的I/O端口,为保证系统的可靠运行,也建议对I/O端口做电源隔离。
(4)系统前级的电源,为提高抗干扰性能,保证可靠性,一般用隔离电源。
(5)电路板内的IC或部分电路供电,从性价比和体积出发,优先选用非隔离的方案。
(6)对安全有要求的场合,如需接市电的AC-DC,或医疗用的电源,为保证人身的安全,必须用隔离电源,有些场合还必须用加强隔离的电源。
(7)对于远程工业通信的供电,为有效降低地电势差和导线耦合干扰的影响,一般用隔离电源为每个通信节点单独供电。
(8)对于采用电池供电,对续航力要求严苛的场合,采用非隔离供电。
二、对于LDO电源来说布局优化:精心的电源布局与选择合适的电源组件同样重要。成功的布局很大程度上取决于电源设计人员的经验水平。布局优化本质上是个迭代过程,经验丰富的电源设计人员有助于最大限度地减少迭代次数,从而避免耽误时间和产生额外的设计成本。
1、最大限度地减小电流回路
为了减少电磁干扰,必须确定电源电路中的热回路(高di/dt回路)并减少其影响。热回路如图1所示。在标准降压转换器的一个周期内,当M1关闭而M2打开时,交流电流沿着蓝色回路流动。在M1打开而M2关闭的关闭周期中,电流沿着绿色回路流动。产生最高电磁干扰的回路并非完全直观可见,它既不是蓝色回路也不是绿色回路,而是传导全开关交流电流(从零切换到IPEAK,然后再切换回零)的紫色回路。该回路称为热回路,因为它的交流和电磁干扰能量最大。
图1 降压转换器的热回路
导致电磁噪声和开关振铃的是开关稳压器热回路中的高di/dt和寄生电感。要减少电磁干扰并改进功能,需要尽量减少紫色回路的辐射效应。热回路的电磁辐射骚扰随其面积的增加而增加,因此,如果可能的话,将热回路的PC面积减小到零,并使用零阻抗理想电容可以解决该问题。
2、使用Silent Switcher稳压器实现低噪声磁场抵消
总之,随着更多系统级设计需要满足更加严格的规范,尽可能充分利用模块化电源设计变得至关重要,尤其在电源设计专业经验有限的情况下。因此将Silent Switcher技术运用于小尺寸设计,同时借助Silent Switcher稳压器简单易用的特性,可以大大缩短产品上市时间,同时还可以节省电路板空间。Silent Switcher 稳压器的优势
▪ 节省PCB布局设计时间(无需重新设计电路板即可解决噪声问题)。
▪ 无需额外的EMI滤波器(节省元件和电路板空间成本)。
▪ 降低了内部电源专家进行电源噪声调试的需求。
▪ 在宽工作频率范围内提供高效率。
▪ 为噪声敏感型器件供电时,无需使用LDO后置稳压器。
▪ 缩短设计周期。
▪ 在尽可能小的电路板空间中实现高效率。
▪ 良好的热性能。
注:文章来源于FPGA技术联盟,作者Charls;本文仅代表作者个人观点,与任职单位无关。