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電源的噪聲如何抑制吶?

來源: 中電網
2020-09-28
類別:技術信息
eye 28
文章創建人 拍明

原標題:電源的噪聲如何抑制吶?

電源噪聲是影響電子系統性能的關鍵因素,可能導致信號失真、通信誤碼、控制精度下降甚至器件損壞。抑制電源噪聲需從噪聲來源分析傳播路徑阻斷敏感節點防護三方面系統設計。以下是針對電源噪聲抑制的詳細解決方案和關鍵技術。


一、電源噪聲的主要來源


噪聲類型產生原因典型頻段影響
開關紋波噪聲開關電源的PWM調制和電感充放電10kHz~1MHz疊加在直流輸出上,導致電壓波動
高頻輻射噪聲MOSFET開關瞬態、PCB走線寄生電感10MHz~1GHz通過空間輻射或傳導干擾其他電路
工頻干擾輸入電源的50/60Hz及其諧波50Hz~1kHz引起低頻振蕩或音頻噪聲
地彈噪聲快速變化的電流通過地線阻抗產生壓降10MHz~100MHz導致數字信號誤觸發或ADC采樣誤差



二、電源噪聲抑制的核心方法

1. 輸入端噪聲抑制

  • 濾波電路設計

    • 示例:對于24V輸入,選擇耐壓50V的電容,ESR<100mΩ。

    • π型濾波器:在輸入端串聯電感(如10μH)并聯電容(如10μF陶瓷電容+100μF電解電容),抑制高頻噪聲。

    • 共模電感:抑制共模噪聲(如10mH共模電感,抑制100kHz~10MHz噪聲)。

  • EMI濾波器:選用集成式EMI濾波器(如TDK的ACF系列),滿足IEC 61000-4-5標準。

2. 開關電源內部噪聲抑制

  • 拓撲優化

    • 多相交錯并聯:如兩相Buck電路,將開關頻率錯開180°,降低輸出紋波(如單相100kHz紋波為50mV,兩相可降至10mV)。

    • 軟開關技術:如LLC諧振變換器,減少開關損耗和EMI。

  • 緩沖電路

    • RCD緩沖:在MOSFET漏極并聯電阻(10Ω)、電容(1nF)和二極管,吸收開關尖峰(如將尖峰從50V降至30V)。

    • 有源鉗位:通過輔助開關管鉗位電壓,適用于高電壓場景。

3. 輸出端噪聲抑制

  • LC濾波器

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  • 低ESR電容

    • 陶瓷電容:用于高頻濾波(如X7R材質,10μF/25V)。

    • 鉭電容:用于低頻濾波(如100μF/35V,ESR<50mΩ)。

4. PCB布局優化

  • 電流環路最小化

    • 輸入電容靠近開關管,減少高頻環路面積(如環路面積從1cm2降至0.2cm2,EMI降低10dB)。

  • 分層設計

    • 電源層與地層相鄰,降低寄生電感(如層間距離0.1mm,寄生電感約0.5nH/cm)。

  • 星形接地

    • 數字地、模擬地、功率地單點連接,避免地環路干擾。

5. 敏感電路防護

  • 局部電源隔離

    • 使用LDO(如TPS7A4700)為敏感電路供電,輸出噪聲<10μVRMS。

  • 屏蔽與接地

    • 對高頻電路(如RF模塊)加金屬屏蔽罩,并單點接地。


三、關鍵器件與參數選擇


器件類型推薦型號關鍵參數應用場景
輸入濾波電容陶瓷電容(X7R)容值10μF~100μF,耐壓>1.5倍輸入電壓開關電源輸入端
輸出濾波電感鐵氧體磁芯電感電感量1μH~100μH,飽和電流>1.5倍額定電流DC-DC輸出端
EMI濾波器TDK ACF4518共模抑制>40dB@150kHz工業電源輸入
LDOTPS7A4700噪聲<10μVRMS,壓差<350mV模擬電路、ADC參考電源
鐵氧體磁珠Murata BLM18PG121SN1阻抗120Ω@100MHz,額定電流1A數字電源輸出



四、典型應用案例

案例1:DC-DC開關電源噪聲抑制

  • 需求:輸入12V,輸出5V/10A,開關頻率500kHz,要求輸出紋波<50mV。

  • 方案

    • 輸入濾波:π型濾波器(L=10μH,C1=10μF陶瓷,C2=100μF電解)。

    • 開關電源:同步整流Buck電路,采用多相交錯并聯(兩相)。

    • 輸出濾波:LC濾波器(L=4.7μH,C=22μF陶瓷+47μF鉭電容)。

    • PCB布局:輸入電容靠近開關管,輸出電容靠近負載,地平面完整。

  • 效果

    • 輸出紋波從120mV降至35mV,高頻噪聲(10MHz~100MHz)降低20dB。

案例2:LDO為ADC供電的噪聲抑制

  • 需求:為16位ADC提供5V電源,要求噪聲<1mVpp。

  • 方案

    • 前級濾波:開關電源輸出經LC濾波(L=10μH,C=10μF)。

    • LDO選擇:TPS7A4700,輸入5.5V,輸出5V,噪聲<6μVRMS。

    • 后級濾波:LDO輸出串聯10Ω電阻和10μF陶瓷電容,形成低通濾波。

  • 效果

    • 電源噪聲從5mVpp降至0.8mVpp,ADC有效位數(ENOB)從12位提升至14位。


五、常見問題與解決方案


問題原因解決方案
輸出紋波超標濾波器參數不合理或PCB布局不當優化LC參數,減小電流環路面積
高頻噪聲輻射超標開關管瞬態電流未被有效吸收增加RCD緩沖或采用軟開關技術
地彈噪聲導致數字誤觸發地線阻抗過大或地環路存在使用星形接地,降低地線阻抗
LDO輸出噪聲大LDO帶寬不足或輸入噪聲未過濾選擇低噪聲LDO,增加前級濾波



六、總結與推薦

1. 設計原則

  • 分層抑制:從輸入端到輸出端逐級濾波,高頻噪聲優先在源頭抑制。

  • 阻抗匹配:確保濾波器輸入/輸出阻抗匹配(如LC濾波器輸入阻抗>10倍源阻抗)。

  • 熱設計:高功率器件(如電感、電容)需考慮散熱,避免溫度升高導致參數漂移。

2. 推薦方案

  • 低成本方案:π型濾波器+LDO,適合對噪聲要求不高的場景。

  • 高性能方案:多相交錯并聯+軟開關+低噪聲LDO,適合精密儀器、通信設備。

  • 快速驗證:使用示波器(如泰克MSO54)的FFT功能分析噪聲頻譜,定位問題源。

3. 測試與驗證

  • 紋波測試:示波器帶寬限制在20MHz,探頭接地環路最小化。

  • EMI測試:使用近場探頭(如Fischer F-120)定位輻射源。

  • 長期穩定性:高溫老化測試(如85℃/48小時),驗證電容ESR變化。


通過以上系統化設計和關鍵技術,可顯著降低電源噪聲,提升系統可靠性和性能。實際應用中需結合具體場景(如功率等級、頻段要求、成本限制)靈活調整方案。


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標簽: 噪聲

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