开关电源噪声产生的原因

一背景

随着电力电子技术的不断创新，开关电源技术也在不断地提升。时至今日，开关电源已经以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用在几乎所有的电子设备中，是当今电子信息产业飞速发展过程中不可或缺的一种电源方式。但是开关电源的EMC的问题一直是一个头疼的事。

二开关电源噪声产生的原因

那么开关电源噪声产生的原因有哪些呢？

（1） 稳压电源芯片输出的电压不稳定，会产生一定的纹波。

稳压电源芯片输出不稳定电压有可能是稳压芯片的直流输出端产生误差、电源噪声的峰值幅度造成开关频率的上升沿或下降沿出现错误。而纹波的产生是在稳压电源芯片输出的不稳定造成电源噪声余量不足，使得纹波的产生。

（2） 稳压电源无法实现对后端负载对于电流的需求的快速变化及时响应。

稳压电源芯片通过感知其输出电压的变化，调整其输出电流，从而把输出电压调整回额定输出值。多数常用的稳压源调整电压的时间在毫秒到微秒级别。因此，对于负载电流变化频率在直流或几百KHz之间时，稳压源可以很好的做出调整，保持输出电压的稳定。当负载瞬态电流变化频率超出这一范围时，稳压源的电压输出会出现跌落，从而产生电源噪声。

（3） 负载瞬态电流在电源路径和地路阻抗上产生一定的压降。

三抑制开关电源噪声的措施

（1） 对于第一种开关电源产生的噪声，是芯片自身决定的，因此这种噪声我们只能接受，但是选择好一点的稳压电源芯片是必要的。这样就可以减少部分噪声，接受的噪声必然不会太高。

（2） 对于第二种电源噪声的产生可以在负载前并联一个电容。

图1 电容去耦电路

当负载电流不变时，其电流由稳压电源部分提供，即图1的I0，方向如图所示。此时电容两端电压与负载两端电压一致，电流Ic为0，电容两端存储相当数量的电荷，其电荷数量和电容量有关。当负载瞬态电流发生变化时，由于负载芯片内部晶体管电平转换速度极快，必须在极短的时间内为负载芯片提供足够的电流。但是稳压电源无法很快响应负载电流的变化，因此，电流I0不会马上满足负载瞬态电流要求，因此负载芯片电压会降低。但是由于电容电压与负载电压相同，因此电容两端存在电压变化。对于电容来说电压变化必然产生电流，此时电容对负载放电，电流Ic不再为0，为负载芯片提供电流。根据电容等式：

只要电容量C足够大，只需很小的电压变化，电容就可以提供足够大的电流，满足负载瞬态电流的要求。这样就保证了负载芯片电压的变化在容许的范围内。这里，相当于电容预先存储了一部分电能，在负载需要的时候释放出来，即电容是储能元件。储能电容的存在使负载消耗的能量得到快速补充，因此保证了负载两端电压不至于有太大变化，此时电容担负的是局部电源的角色。

可以从另一个层面去理解这个电容充当电源的角色。如图2所示，从AB到电源这边看，可以把电源和电容等效成一个电源如图3所示的等效电路。

图2 电源电路

图3 等效电路

这样设计目标是，不论AB两点间负载瞬态电流如何变化，都要保持AB两点间电压变化范围很小，根据公式：

这个要求等效于电源系统的阻抗Z要足够低。在图2中，我们是通过去耦电容来达到这一要求的，因此从等效的角度出发，可以说去耦电容降低了电源系统的阻抗。

（3） 对于第三种的开关电源的噪声，PCB板上任何电气路径不可避免的会存在阻抗，不论是完整的电源平面还是电源引线。对于多层板，通常提供一个完整的电源平面和地平面，稳压电源输出首先接入电源平面，供电电流流经电源平面，到达负载电源引脚。地路径和电源路径类似，只不过电流路径变成了地平面。因此一个好的完整的地平面是非常必要的。

四总结

虽然开关电源的应用非常广泛，但是开关电源的EMI问题也是最主要的。本文主要分析了开关电源噪声产生的三个原因，以及对应的措施，后续还会继续给大家带来更多有关于电源噪声的文章，欢迎大家持续关注。

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