dc/dc開(kāi)關(guān)式電源轉換器的物理干擾眾人皆知，除非系統和電路圖都經(jīng)過(guò)了精心設計。這些轉換器會(huì )對電氣地注入多余的電荷，產(chǎn)生虛假的數字信號、翻轉的雙倍時(shí)鐘、電磁干擾、模擬電壓誤差，還可能是有害的高電壓。隨著(zhù)這類(lèi)設計復雜性的增加以及應用的密集使用，物理電路的實(shí)現已開(kāi)始在系統的電氣完整性中扮演一個(gè)重要的角色。為解決這些問(wèn)題，你需要了解如何減少兩類(lèi)主要的地噪聲源。

地噪聲問(wèn)題一

圖1是一個(gè)有恒定負載電流的理想降壓轉換器。開(kāi)關(guān)S1和S2作來(lái)回轉換，斬斷著(zhù)降壓電感和降壓電容上的輸入電壓。電感電流或電容電壓都不能突然地改變，而負載電流是恒定的。所有開(kāi)關(guān)電壓與電流應分別成功地跨過(guò)降壓電感，或通過(guò)降壓電容，因為一個(gè)理想的降壓轉換器不會(huì )產(chǎn)生地噪聲。但有經(jīng)驗的設計者知道，降壓轉換器是一個(gè)臭名昭著(zhù)的噪聲源。這意味著(zhù)，圖1中的電路缺少了一些關(guān)鍵的物理元件。

圖1，在一個(gè)降壓轉換器電路中，電感器的電流不能瞬時(shí)改變，因此難以判斷一個(gè)理想降壓轉換器中的地彈跳來(lái)源。

無(wú)論何時(shí)，只要有電荷移動(dòng)，就會(huì )產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)。一根導線(xiàn)、一只電阻、一只晶體管、一個(gè)超導體，或一個(gè)電容極板間的電流都會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁通量是通過(guò)一個(gè)電流環(huán)路面積的磁感應強度，它等于以直角切割環(huán)路面積的磁感應強度與環(huán)路面積的乘積：φB=B×A，其中φB是磁通量，B是磁感應強度，而A是電流環(huán)路面積。以某個(gè)距離環(huán)繞一根導線(xiàn)的磁感應強度與導線(xiàn)中的電流成正比，B=μoI/2πr，其中r為距離。

電子元件都有長(cháng)度，電荷必須沿各個(gè)導線(xiàn)段，從一個(gè)器件移到另一個(gè)器件。移動(dòng)的電荷就產(chǎn)生了一個(gè)磁場(chǎng)，于是我們可以改進(jìn)圖1中的電路。圖2是一個(gè)簡(jiǎn)單降壓轉換器的更好模型。圖2中，導線(xiàn)仍保持理想狀態(tài)，不過(guò)電流在從一個(gè)電子元件移動(dòng)到另一個(gè)元件時(shí)，必須在每段中流過(guò)一個(gè)距離。當這個(gè)電荷流動(dòng)時(shí)，通過(guò)S1和S2開(kāi)關(guān)的循環(huán)，磁場(chǎng)環(huán)繞著(zhù)通電的導線(xiàn)，并有磁通通過(guò)。

圖2，變化的磁通會(huì )產(chǎn)生電壓(a)。當一個(gè)降壓轉換時(shí)，變化的電流回路路徑產(chǎn)生一個(gè)變化的磁通，并導致地彈跳(b)。

S1和S2電流回路面積的變化是開(kāi)關(guān)轉換器地噪聲的第一個(gè)主要來(lái)源。在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，輸入電壓-S1-地這個(gè)回路中的磁通都會(huì )增加和衰減。這種變化的磁通會(huì )在該回路的各個(gè)地方感應出電壓，包括理想的接地回路線(xiàn)。沒(méi)有任何銅箔(哪怕是一個(gè)超導體)能夠消除這種感應電壓。唯一有用的方法是降低變化的磁通。

變化的磁通有三大要素：變化率、磁場(chǎng)強度和回路面積。由于時(shí)鐘頻率和最大輸出電流可能有設計上的要求，因此盡量減小回路面積就成為最佳方法。感應系數與磁通量成正比。

圖3是圖2的一個(gè)電氣模型，其中寄生電感LP1中的電流變化產(chǎn)生了地噪聲，而寄生電感LP2中的恒定電流則沒(méi)有貢獻。雖然圖3以一種類(lèi)似的方式表述了問(wèn)題，但它是圖2中物理增強模型的一個(gè)不良替代品。圖3顯示了LP1和 LP2上的寄生感應電壓，而這種結構會(huì )在一個(gè)有磁通變化的回路各處都感應出電壓。不過(guò)，這個(gè)電路部件仍能用于展示如何降低感應的地噪聲。

圖3，LP1中變化的電流產(chǎn)生了地彈跳，而LP2中的恒定電流則沒(méi)有。

在圖3中，地回路電流流過(guò)LP1并發(fā)生變化，它造成了一種電壓彈跳問(wèn)題。仔細布放輸入電容可以減小寄生磁通面積，并讓變化的降壓電流走一個(gè)不包含在接地回路的路徑(圖4)。此時(shí)，寄生電感LP1和LP2中的電流是恒定的，因此地電壓穩定不變。磁通面積的減小亦成比例地降低了EMI，以及所有其它有害的感應回路電壓。

圖4，仔細地布放輸入電容，盡量減小變化回路的面積，并仔細地布放地回路的變化電流路徑,可以消除地彈跳。

開(kāi)關(guān)轉換器接地噪聲的第一個(gè)重要來(lái)源是磁通面積不斷變化的結果。良好的PCB設計通過(guò)走線(xiàn)的布放和仔細布置的旁路電容，能盡量減少變化的電流回路面積，以及接地回路路徑中變化的電流。

地噪聲問(wèn)題二

第二個(gè)地噪聲的主要來(lái)源是寄生的電感器電容(圖5)。一個(gè)電容上的電壓不能夠瞬時(shí)改變，而一個(gè)電感上的電流則不能瞬時(shí)改變。因此，LX結點(diǎn)上的電壓變化就直接耦合到寄生降壓電感器電容CL以及降壓濾波器電容Cbuck，出現在寄生接地電感LP1和LP2上。

圖5，LX結點(diǎn)電壓的變化通過(guò)寄生降壓電感器的電容CL將電荷泵出，并進(jìn)入寄生接地路徑電感器LP1和LP2，產(chǎn)生地噪聲。

但開(kāi)始是沒(méi)有電荷流動(dòng)的，在下一個(gè)瞬間，所有這些元件上都建立起電流，直到寄生降壓電感器的電容能量ECL=1/2CLVLX2轉換為導線(xiàn)的寄生磁場(chǎng)，ELP=1/2LPI2CHANGINGMAX，其中，LP是所有寄生回路電感的總和。然后，這個(gè)有害的能量在電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間來(lái)回傳送，直到輻射出去或耗散在阻性元件上。

地噪聲振蕩的峰值電壓和持續時(shí)間都是問(wèn)題。峰值電壓在結點(diǎn)VGB測量，它是LX結點(diǎn)電壓變化、寄生的降壓電感器電容以及附加寄生走線(xiàn)電容的函數。一個(gè)大的寄生降壓電感器的電容會(huì )存儲更多能量，因此采用一個(gè)較小值是一個(gè)比較好的方案。選擇了降壓電感器的值以及額定電流后，要選擇有最大自諧振頻率的電感，以限制CL的容量。電感器的自諧振頻率表示為1/[2π√(LBUCKCL)]。自諧振頻率加倍可降低寄生的電感器電容，因而地噪聲能量可降低至其四分之一。

當性能優(yōu)先于成本考慮時(shí)，用兩只串聯(lián)電感替換圖5中的單只降壓電感，每只電感的值是降壓電感值的一半，而總電感值保持不變(圖6)。對于制造廠(chǎng)的系列電感產(chǎn)品，寄生電容通常與額定電感值成正比，因此半值電感的寄生電容也只有一半。采用串聯(lián)電感時(shí)，它們的電感值相加，而寄生電容值則是倒數值的和的倒數，從而降低了總的寄生電容。對于兩個(gè)串聯(lián)的半值電感，總電感值為L(cháng)buckNEW ，而總寄生電容將降低至降壓電感器電容的四分之一。這樣，降低的寄生電感就減少了地的彈跳。

圖6，兩個(gè)串聯(lián)電感有相同的電感值，但寄生電容只有四分之一，泵出電荷及因此造成的地彈跳都得到減少。

通過(guò)研究各種模型，我們了解了地噪聲的兩個(gè)主要來(lái)源和機制，這兩種地噪聲在dc/dc開(kāi)關(guān)轉換器中無(wú)處不在，工程師可以在設計的早期階段、元件選擇以及布局時(shí)盡量降低這些效應，就能減少以后生產(chǎn)中的麻煩并避免從頭設計。