本文對嚴重影響便攜設備基本性能的各類電壓調節器所產生的傳導、幅射噪聲及共模噪聲傳播機制及抑制選擇作分析討論。

　　電場屏蔽技術

　　由于電場存在于兩個具有不同電位的表面或實體之間，因此，只需要剛—個接地的防護罩將設備屏蔽起來，就可以相對容易地將設備內部產生的電場噪聲限制在屏蔽罩內部。這種屏蔽措施已被廣泛用于監視器、示波器、開關電源以及其它具有大幅度電壓擺動的設備。另外一種通行的做法是在線路板上設置接地層，電場強度正比于表面之間的電位差，井反比于它們之間的距離。舉例來講，電場可存在于源和附近的接地層之間。這樣，利用多層線路板，在電路或線條與高電位之間設置一個接地層，就可以對電場起到屏蔽作用。

　　不過，在采用接地層時還應注意到高壓線路中的容性負載。電容器儲能于電場中，這樣，當靠近一個電容器設置接地層時就在導體和地之間形成一個電容，導體上的dv／dt信號會產生大傳導電流到地，這樣，在控制輻射噪聲的同時卻降低了傳導噪聲性能。

　　如果出現電場散射，來源最有可能于系統中電位最高的地方，在電源和開關調節器中，應該注意開關晶體管和整流器，因為它們通常具有高電位，而且由于帶有散熱器，也具有比較大的表面積。表面安裝器件同樣存在這個問題，因為它們常常要求大面積線路板覆銅來幫助散熱。這種情況下，還應注意大面積散熱面和接地層或電源層之間的分布電容。

　　磁場屏蔽技術

　　電場相對比較容易控制，但磁場就完全不同了，采用高導磁率的物質將電路封閉起來可以起到類似的屏蔽作用，但是這種方法實現起來非常困難而且昂貴。通常來講，控制磁場散射最好的辦法就是在源頭將其減至最小。一般情況下，這就要求選擇那些磁輻射小的電感和變壓器。同樣重要的還有，在進行電路板布局和連接線配置時要注意最大限度減小電流網路的尺寸，尤其是那些載有大電流的回路。大電流回路不僅向外輻射磁場，它們還增加了導線的電感，這會在載有高頻電流的線上引起電壓尖刺。

　　降低磁輻射-采用增加氣隙的鐵氧體磁芯制作電感器

　　對電路設計者來說往住傾向于選擇商品化的變壓器和電感，但無論是設計或選擇商品化的變壓器和電感，應了解一點磁性材料方面的知識均將有助于設計者對具體應用做出最適當的選擇。

　　根據有關實驗資料可知，鐵氧體磁芯（或其他類型的高磁導率磁芯）增加氣隙后會迫使磁通透出磁芯，使電感或變壓器儲能于器件用周圍的磁場中。為這個鐵氧體磁芯增加氣隙將使斜率降低，同時降低了等效磁導率和相關的電感。電感因斜率的變化而降低，而最大電流因斜率的變化而增加，同時飽和磁感應強度B保持不變。所以，儲存于電感的最大能量（1/2L12）增加了。這種增加也可以通過給電感施加一個電壓，然后觀察達到飽和Bsat所需的時間來得到印證。儲存于磁芯的能量是（V×i）dt的積分。因為對于帶有氣隙的磁芯，同樣的電壓和時間下總是具有更高的電流，所以相應的儲能也更高。

　　然而，采用帶氣隙的磁芯會增加電感周圍空間中的磁輻射。以軸狀磁芯為例，因為具有很大的氣隙，它在工作時具有很強的磁輻射，正是由于這個原因，在很多對噪聲敏感的應用中不被采用。軸狀磁芯——線軸狀鐵氧體——是一種最為簡單和最為廉價的帶氣隙的鐵氧體磁芯。將線圈繞于中軸上面便構成一只電感。由于線圈直接繞在磁芯上，除了線圈的引出外不再需要其它處理，因此成本很低。很多情況下，導線是通過磁芯底部的一塊金屬化區引出的，使電感可以進行表面安裝。其它一些表面安裝電感則是被固定在一個陶瓷或塑料頂蓋上，線圈通過頂蓋引出。

　　有些制造商在軸狀磁芯外部套裝了一個鐵氧體屏蔽罩來降低輻射。這種辦法是有效的，但同時也減小了氣隙，因而也就降低了磁芯儲能。由于鐵氧體自身儲能不多，通常在磁芯和屏蔽罩之間保留了一個小的氣隙，這將使這種類型的電感輻射一部分磁場。不過，在某種可以接受的散射水平下，軸狀磁芯在成本和EMI之間是一個比較好的折衷。

　　其它不同形狀的磁芯也可以根據應用要求增加氣隙（或不加）。例如罐狀磁芯、E-I磁芯和E-E磁芯等都具有一個中心柱或軸，可以在上面開出一個空氣間隙。在磁芯的中心開氣隙并用線圈將其完全包圍起來，有助于減少氣隙向外部空間的磁輻射。這種電感通常更貴一些，因為線圈必須獨立于磁芯繞制，磁芯環繞線圈組裝。為便于設計和組裝，可以購買中軸上預留氣隙的磁芯。

　　或許在降低磁輻射方面表現最好的磁芯是具有分布式氣隙的磁環，這種磁芯采用填充材料和高磁導罕率金屬粉末混合后壓制成型。金屬粉末顆粒被非磁性的填充物分隔，形成小的氣隙，盡管它們分布于整個磁芯，但其作用類似于一個總的“空氣隙”。線圈環繞磁環繞制，使磁場在線圈中間沿著磁環形成圓環，當線圍繞滿磁環整個圓周時，它就完全包圍住磁場將其屏蔽起來。

　　分布氣隙式磁環的能損有時會比開有氣隙的鐵氧體磁芯更高一些，這是由于組成芯體的金屬顆粒中容易形成渦流，導致磁芯發熱而使電源效率降低．由于線圈必須穿過磁環中心，繞制比較圍難，所以這種類型的電感也比較貴，線圈繞制可由機器完成，但比起傳統類型的繞線機，這種類型的機器更貴而且操作更慢。

　　有些鐵氧體磁環具有非連續的氣隙，這種磁心所產生的碰輻射高于上述分布氣隙式磁芯，但典型的帶氣隙磁環具有比較低的能損，因為它們封閉磁場的能力姜要優于其它類型的具有非連續氣隙的鐵氧體磁芯。用線圈包圍氣隙可以降低磁輻射，而環狀磁芯更有助于將磁場封閉于芯體內部。

　　變壓器設計應考慮避免漏感產生

　　變壓器具有許多和電感器共有的局限，因為它們采用同樣的磁芯繞制而成。除此之外，變比器還有—些獨有的特性。實際變壓器的特性接近于理想變壓器-以正比于繞組匝比的電壓比率從初級向次級耦合電壓。

　　在變壓器等效電路中，繞組間的分布電容等效為電容器CWA和CWB，這些因素帶來的主要問題是隔離電源中的共模散射問題。繞組電容CP和CS很小，在開關型電源和調節器的工作頻率下通常可以忽略。勵磁電感LM的作用很重要，因為過高的勵磁電流會造成變壓器飽和。和電感一樣，飽和狀態下變壓器的磁輻射將會增加。飽和還會造成更高的磁芯能損，更高的溫升（有可能引起熱失控），以及降低繞組間的耦合度。

　　漏感是由僅匝鏈一個繞組而未匝鏈其它繞組的磁場產生的，雖然在有些耦合式電感器和變壓器（就象前面討淪的共模扼流圈）中有意將這個參數設計得比較大，但對于開關電源來講，漏感LLp和LLs常常是最令人頭痛的寄生元件、同時匝鏈兩個繞組的磁通將兩個繞組耦合為一體．所有變壓器繞組都環繞磁芯，因此任何漏感都存在于磁芯外部，在空氣中，會向外界產生磁輻射。

　　漏感帶來的另外一個問題是，當電流迅速變化時會產生大電壓，這在大多數開關電源變壓器中有所表現。這種大電壓會使開關晶體管或整流器過壓而損壞。吸收緩沖器（通常是一只串聯的電阻和電容）常被用來耗散這種電壓尖峰的能量，而使電壓得到控制。另一方面，有些開關器件被設計為可以承受一定的重復性雪崩擊穿，能夠耗散一定功率，可以不用外部緩沖器。

　　變壓器漏感的測定很簡單，只需短路次級線圈，然后測量初級電感即可。這種測量結果中也包含了通過變壓器耦合的次級漏感，多數情況下，這個漏感也必須加以考慮，因為它也會增加初級側的電壓尖峰。對應的尖峰能量可按公式E=1/2L12計算，這樣，漏感造成的功率消耗就是每一尖峰的能量乘以開關頻率：P：=1/2L12f。

　　對于變壓器的具體要求和不同的電源拓撲有關。有些拓撲通過變壓器直接耦合能量——例如半橋、全橋、推挽式或正激式轉換器——要求非常高的勵磁電感以防止飽和。這些電路中變壓器的初級和次級線圈同時傳輸電流，直接通過變壓器耦合能量。由于只有很少的能量儲存于磁芯中，變壓器可以做得比較小。這種變壓器通常采用沒有氣隙的鐵氧體或其它高磁導率材料的磁芯繞制而成。

　　另外一些電源拓撲則要求變壓器磁芯儲存一定的能量。反激式電路中的變壓器在開關周期的前半部分通過初級線圈儲能。在開關周期的后半部分，能量被釋放并通過次級線圈饋向輸出。和電感的情況一樣，不帶氣隙的高磁導率磁芯不太適合變壓器儲能。相反，磁芯必須具有不連續的或分布式的氣隙。這會使元件的尺寸比不帶氣隙時的情況更大一些，但卻省去了額外的儲能電感，因此更加節省成本和空間。

　　關于串擾與抑制

　　所謂串擾是指在噪聲（干擾）源和被干擾對象之間不存在直接的連接，但在它們的各自導線或引線互相靠近時會產生寄出電容和寄生電感。

　　兩個或更多導體靠得比較近時，它們之間就會有容性耦合，一個導體中的大幅度電壓變化會向其它導體耦合電流。如果導體是低阻抗的，則耦合電流僅產生很小的電壓。電容反比于導體間的距離而正比于導體的面積，這樣，減小相鄰導體的面積，并增加它們之間的距離，將有利于降低傳導型噪聲。

　　另外一個減小導體間耦合的辦法是增加一個接地或屏蔽層。導體之間的一條接地線（很多情況下為電源總線或其它類型的低阻抗節點）可以將容性耦合過來的干擾信號旁路到地，從而起到防止導體間相互干擾的作用。但應當謹慎行之。如果載有快速dV／dt信號的線條被靠近某接地層放置，而該接地層與大地之間通過高阻互連，那么上述快速變化信號就會耦合進入接地層。進而接地層又會向敏感線路耦合，這樣，非但沒有改善，反而使噪聲問題更加惡化。如果接地層不用承載大電流，通常趨向于采用細導線將其連接到地。然而，細導線具有比較大的電感，這會使接地層對于快速變化的電壓信號呈現為高阻。

　　在進行布線時，應該保證接地層不向電路的敏感部分耦合噪聲。例如，輸人、輸出旁路電容就經常通過接地層傳輸電流，高頻電流對于敏感電路會產生不可忽視的影響。為避免這種問題，常常在電路板上采用獨立的層面，分別用于電源和信號的接地。將不同層面在單點連接，那么，大功率接地層上的噪聲就不會注人到其它層面上去。這種做法類似于所有元件在單點接地的星形地（所有線條以“星”形匯聚至接地點）。星形接地的效果等同于采用獨立的功率和信號接地，但在一個比較復雜的、包含許多接地元件的大型電路中無法實施。

　　如果已知某個節點對噪聲敏感，那么所有連接到該節點的線條和導線都應該遠離那些有大幅度電壓變化的節點走線。如果做不到，需要增加一個良好的接地或屏蔽。良好的電容旁路也可以降低這些節點對串擾的敏感度。通常，一個連接于節點和地之間，或者是節點和電源總線之間的小電容，就可構成一個適當的旁路。

　　在選擇旁路電容時，要確保其在可能引起問題的頻率范圍有足夠低的阻抗。ESR和ESL可能會使電容器在高頻下的阻抗高于預期，因此，具有低ESR和ESL的陶瓷電容被普遍用于高頻旁路。陶瓷電介質對于性能的影響也比較大。較高容量的電介質（例如Y5V）會使電容隨著電壓和溫度的改變發生比較大的變化。在最高額定電壓下，由這種陶瓷制成的電容器的容量會比無偏壓時的容量低15%之多。更好一點的電介質具有稍低的電容量，但對串擾的抑制與偏壓和溫度的相關性更低，很多情況下可以提供更穩定、更優良的旁路。

　　旁路電容的放置也很講究。為了抑制高頻噪聲，最好使需要旁路的信號線直接通過旁路電容走線。在圖8a中，與電容器串連的那段線條會增加ESR和ESL，增大了高頻阻抗，使電容器作為高頻旁路的效果大打折扣。更好的布線方式（見圖8b）是使線條直接通過電容器，這樣，線條的離散ESR和ESL將協助電容產生更好的濾波效果。

　　有些節點不能采用旁路措施，因為這樣做會改變其頻率特性。一個例子就是用于反饋的電阻分壓器。大多數開關電源中，電阻反饋分壓器將輸出電壓分壓至誤差放大器可以接受的電平。加到這個反饋節點的大容量旁路電容和節點上的電阻構成了一個極點。因為分壓器是控制環的一部分，這個極點就成為環路特性的一音盼。如果極點頻率不超過轉折頻率的一個十倍頻程，它所產生的相位或增益效應將給環路穩定性帶來不利影響。

　　減少分布電感的電壓尖峰

　　開關電源中經常要快速切換電流。這些電流通路上的分布電感就會產生較大的噪聲電壓，它們會耦合到敏感電路中或給元件造成電壓應力。承載直流電流的導線很少有問題，因為直流不會產生電壓尖刺，或向其它導線耦合交流干擾。舉例來講，一條與電感串連的導線一般不會有問題，因為分布電感要比電感器的數值小得多。大值串連電感會阻止不連續電流通過。

　　如果一個電路產生了不連續電流，就要設法防止其通過大的環路。電流環越大其電感量越大，隨之而產生的磁場輻射也就越大。這個原則同樣適用于元件的布局，因為電流經常是在有源器件之間進行切換的，例如晶體管和二極管。

　　考慮圖1所示的降壓型轉換器。當高端MOSFET開關（N1）打開時，電流通過輸入、N1、電感，流向負載。N1關斷后，二極管（D）接續電流直到同步整流器（N2）打開。接著由N2傳導電流直到它被關斷，然后，再次由二極管接續電流，一直到下一個開關周期啟動。注意到流過電感和輸出電容的電流是連續的，因此不會是噪聲的主要來源。

　　如果N1，N2和D彼此離開一定距離放置，那么在它們之間迅速切換的電流一定會在周圍環境中引發快速變化的電磁場。因為感應電壓正比于磁場的變化速率（dΦ／dt），迅速波動的磁場就會產生大幅度的電壓尖峰。

　　需要注意，高頻電流將由入端電源和出端負載來承載。它應該由輸入和輸出電容旁路掉；否則的話，它們就會通過輸入或輸出連接線，或兩者同時通過輸入與輸出連接線。輸入和輸出旁路電容的阻抗很重要。它們應該有足夠大的容量以保持比較低的輸入和輸出阻抗，但比起容量較小的陶瓷電容，較大容量的電容（例如鉭或鋁電解）具有更高的ESR和ESL。所以，必須確保電容器在所關心的頻率下具有足夠低的阻抗。

　　一種選擇是將陶瓷電容和電解或鉭電容相并聯，因為陶瓷電容在高頻下具有較低的阻抗。不過，多數情況下，這種方式不如將多個電解或鉭電容并聯，以降低ESR和ESL，或者并聯多個陶瓷電容以增加總電容量。

　　布局對于控制EMI至關重要

　　元件的選擇對于控制EMI至關重要，但電路板的布局和互連也具有同等重要的影響。尤其是對于高密度、采用多層電路板的開關電源，元件的布局和走線對于電路的正常工作具有重要的影響。功率的切換可以在連接線上產生很大dV／dt和di／dt的信號，它可以耦合到其它連線上造成兼容性問題。不過，只要在關鍵回路的布局方面多加注意，就可避免兼容性問題以及花費很大代價去對線路板進行修改。

　　對于一個系統來講，輻射型和傳導型電磁干擾很容易區分，但具體到某快電路板或某段導線，問題就變得復雜了。相鄰連線之間會有電場的耦合，同時也會通過分布電容傳導電流。同樣地，連線之間也會象變壓器一樣通過磁場發生耦合。這種相互作用可以利用集中元件進行描述，也可以采用電磁場理論進行分析。具體采用何種方法取決于系統的精確度要求。

　　結束語

　　上述是對抑制電氣噪聲對便攜設備及非便攜設備嚴重影響各類選擇的分析，但如何使用抑制技術，其要求是各不相同的，除了要根據具體的場合可實現實性、經濟性及其它的具體因素來確定，同時還取決于電氣噪聲、電磁干擾出現在整個設備的哪個階段，即研發階段、生產階段、改進階段還是現場使用階段來選擇其最佳方案。


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