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通過(guò)阻抗平衡降低電源中的 CM 噪聲
通過(guò)阻抗平衡降低電源中的 CM 噪聲
在緊湊空間中運(yùn)行的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電路（例如在小型 PCB 上）通常可以部署在嘈雜的環(huán)境中，而不會(huì)在輸出功率電平上疊加明顯的噪聲。只要您正確布置電路板，您可能只需要一個(gè)簡(jiǎn)單的濾波器電路來(lái)消除輸入和輸出上的 EMI。隨著穩(wěn)壓器在物理上和電氣上變得更大，噪聲問(wèn)題會(huì)變得更加明顯，即 PCB 布局中的輻射 EMI 和傳導(dǎo) EMI。
共模傳導(dǎo)電流是具有多個(gè)接地的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中的一個(gè)典型問(wèn)題，它是由電容耦合引起的。標(biāo)準(zhǔn)方法是對(duì)輸出使用濾波，例如使用共模扼流圈，以處理到達(dá)輸出節(jié)點(diǎn)的傳導(dǎo)共節(jié)點(diǎn)噪聲。但是，這并不能抑制共模電流環(huán)路中存在的輻射 EMI，因此您只能選擇屏蔽。如果您可以在不需要屏蔽的情況下抑制這兩種類型的噪聲會(huì)怎樣？
在這些類型的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中，您可以使用阻抗平衡方法來(lái)抑制電源輸出節(jié)點(diǎn)處的共模噪聲。這遵循一個(gè)簡(jiǎn)單的想法，其中系統(tǒng)接地用作定義電源輸出節(jié)點(diǎn)阻抗的全局參考。讓我們看看它是如何工作的，以及您應(yīng)該在設(shè)計(jì)中通過(guò)仿真研究什么。
什么是阻抗平衡？
阻抗平衡使用 3 導(dǎo)體配置（2 個(gè)信號(hào)，1 個(gè) GND）通過(guò)放大器收集差分電壓測(cè)量值。該技術(shù)用于 XLR 音頻電纜，以確保差分接收器可以完全消除可能通過(guò)電纜傳導(dǎo)的共模噪聲。盡管這是在傳感器而不是音頻或電源的背景下完成的。
中心思想是將兩條信號(hào)線的阻抗設(shè)置為相等，這將確保電纜的每個(gè)單端側(cè)在接收器處看到相同的輸入阻抗，并在差分接收器處確保共模噪聲抑制。
阻抗平衡不需要 V1 = -V2。
仔細(xì)想想，這個(gè)系統(tǒng)中信號(hào)線和地的排列與PCB上的差分對(duì)沒(méi)有什么不同。在差分對(duì)中，每條走線的單端阻抗都定義為相對(duì)于差分對(duì)的參考平面（在本例中為接地平面）。阻抗平衡和差分信號(hào)之間的唯一區(qū)別是，在阻抗平衡互連中，我們不需要為 V1 和 V2 提供相等和相反的信號(hào)；它們理論上可以是任何值。然后接收器測(cè)量每對(duì)相對(duì)于參考平面的電壓。
開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中的阻抗平衡
開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中的共模噪聲是由于電容耦合回最近的參考平面而產(chǎn)生的，該參考平面通常是機(jī)箱 GND，或者它可能是另一個(gè)大導(dǎo)體，它是系統(tǒng) GND 或外殼屏蔽的一部分。在提供高電流的物理大電源布局中，這可能是非常有問(wèn)題的。寄生電容 Cp（見(jiàn)下文）可能非常大，在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器電路中的高 dI/dt 開(kāi)關(guān)事件期間提供非常低的阻抗。
從電源輸出節(jié)點(diǎn)返回輸入節(jié)點(diǎn)的共模電流路徑。
從這里，我們可以看到紫色箭頭描繪了一個(gè)大電流回路。即使我們使用共模扼流圈去除負(fù)載處的傳導(dǎo)電流，共模電流回路也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的輻射。這也可能發(fā)生在使用帶有變壓器的電流隔離的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器拓?fù)渲校?span>LLC 諧振轉(zhuǎn)換器。
以下升壓轉(zhuǎn)換器電路中的一種解決方案是在電感器周圍放置電容器回到底盤(pán)接地，但在 POS_OUT 和 NEG_OUT 端子之前。在這里，負(fù)電源軌在源 V1 處連接回系統(tǒng)接地，這可以促進(jìn)負(fù)電源軌和系統(tǒng)其余部分之間的共模噪聲路徑。電容器 C1/C2 和電感器 L2 的添加為共模噪聲流入 MOSFET 的路徑創(chuàng)建了一個(gè)橋接電路：
通過(guò)有意使用電容器將高軌和低軌回接地，您將在模擬橋式電路的布局中設(shè)置兩個(gè)反向傳播的電流。當(dāng)以下阻抗條件成立時(shí)，產(chǎn)生的共模噪聲將被消除：
創(chuàng)建 PCB 布局后，應(yīng)確保在 MOSFET 的高側(cè)和低側(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)稱布線。這很重要，因?yàn)樗鼤?huì)建立反向傳播的電流回路，從而產(chǎn)生反平行磁場(chǎng)。路由的任何不屬于共模噪聲消除的部分都將具有差模輻射發(fā)射，其明顯弱于共模電流的發(fā)射。
用寄生參數(shù)模擬阻抗平衡
在上面的電路中，重要的是要記住所有組件都有一些寄生和自諧振，這意味著上面的阻抗關(guān)系僅適用于特定頻率。如果您使用具有更高自諧振頻率的組件，您可以消除高達(dá)更高頻率的共模噪聲。請(qǐng)務(wù)必模擬此濾波器電路的傳遞函數(shù)，以查看此系統(tǒng)中噪聲抑制的限制。