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开关稳压电路中的寄生噪声

作者Cadence PCB解决方案

所有PCB布局都有寄生，但这些元素并不总是会给你的电路带来大问题。在某些电路中，它们可能非常麻烦，需要一些额外的电路来防止寄生产生的噪声问题。一个完美的例子是开关调节器电路，它在组件和PCB布局中有重要的寄生需要考虑。对于开关稳压器，寄生在PCB布局的以下领域非常突出:

  • 开关端子和开关体中的电感和电容场效电晶体
  • 反馈回路和高dI/dt回路(包括输入和输出)中的回路电感
  • 在PCB布局中，开关节点和其他导体之间的相互电容

我们将研究一些电路设计和布局策略，您可以使用它们来控制来自这些寄生的噪声问题。

开关稳压电路中的寄生问题

如果将开关稳压器电路图与这些设备的PCB布局进行比较，就很容易看到PCB布局中可能存在的寄生。在这些设计中，寄生电容和电感会产生上面列出的噪声问题，但一些简单的设计策略可以帮助抑制这些噪声问题。在接下来的示例中，我们将使用以下降压转换器电路来说明这些原理，尽管同样的思想也适用于其他拓扑结构。

Buck变换器电路图

我们将在本文中使用标准降压转换器拓扑结构作为示例。

设计输出滤波器

降低开关噪声的一种方法是在输出端加滤波电路。这通常是一个LC电路级联输出如下所示。在这个例子中，电容器将有一些有效串联电阻(ESR)，通常远小于1 Ω。

Buck变换器输出滤波器Buck转换器输出滤波器的例子。

这种设计的挑战是需要确保新的滤波器元件不会给电路增加额外的极传递函数，这将导致时域的欠阻尼振荡(振铃)。抑制任何瞬态响应的最简单的方法是使用一个较大的电容器，并将一个小电阻(只有几个Ω)与电容器串联。这里需要进行一些实验和仿真，以确保没有过多的瞬态振荡，并确保开关噪声得到适当的抑制。

合理设计交换节点

确保估计开关节点的电容，以确保电容与高侧和低侧MOSFET电容相比不会太高。作为一般规则，开关节点必须足够大以处理所需的电流，但又要足够小以具有低电容。如果开关节点电容过大，则可能需要将其尺寸减小，以确保电流流局限于开关MOSFET，而不是通过耦合寄生电容．

开关稳压电路开关负载电容vs.低侧MOSFET电容。

值得庆幸的是，与上面buck转换器示例中显示的低侧MOSFET电容相比，开关节点电容通常非常小。

  • 开关节点电容:约24pf /sq。mm，假设衬底Dk = 4，厚度为0.1 mm，流苏系数为4
  • MOSFET D-S电容:1-10 nF量级

这意味着，对于一个具有高电容的物理大MOSFET，开关节点至少需要40平方英尺。毫米以允许噪声绕过低侧MOSFET并到达地网。因此，我们通常可以忽略交换节点对GND的电容。

更重要的是与其他电路的相互电容，这允许在高dV/dt波动时噪声耦合。使地靠近开关节点有助于减少这种相互电容。

RC缓冲电路

当我们提到一个RC缓冲器在开关稳压器方面，这是放置在低侧MOSFET如下所示。

开关稳压电路

在开关调节器电路中放置RC缓冲器。

如果RC腿有足够高的阻抗(通常是一些Ω在MOSFET的固有频率)，然后MOSFET的瞬态响应开关可以被阻尼。这种RC腿的设计和仿真需要一个精确的MOSFET电路模型，其中必须包括寄生，以便正确地计算和模拟。

总结

与往常一样，在实现解决PCB布局或电路设计中的寄生问题的解决方案时，一定要模拟您的想法。在这种情况下，所需的模拟包括瞬态分析和频率扫描，以评估额外的电路部分将如何与开关稳压器电路相互作用。总之，这些PCB设计和布局建议可以帮助您抑制电源稳压器电路中的噪声:

  1. 使地面靠近开关节点
  2. 请使用较小的交换节点
  3. 如果使用RC缓冲器电路场效应晶体管铃声太大
  4. 使用具有严重阻尼响应的输出滤波器来降低开关噪声，而不会产生新的瞬态振铃问题

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