DC-DC转换器中开关噪声的产生原理和抑制对策

开关噪声是由电流突然开/关切换引起的高频振铃，在开关电源和高速半导体器件中尤其常见。虽然可以通过优化电路板布局来减少此类噪声，但需要采取特殊措施来处理泄漏的辐射噪声。此外，平行布线之间可能会发生串扰，从而引起感应噪声。本文以DC-DC转换器为例，详细阐述开关噪声的产生原理、开关噪声对电子电路设计中电磁兼容性（EMC）的影响以及这些问题的有效解决方案。

什么是开关噪声？

开关噪声是电子电路和电源IC（集成电路）运行过程中不必要的电流波动引起的高频振铃。这种类型的噪声常见于高速运行的半导体器件，例如DC-DC 转换器和AC-DC 转换器。开关噪声会降低电路稳定性，还会导致电磁兼容性(EMC) 中的电磁干扰(EMI) 相关问题。

开关噪声的原因

开关噪声的常见原因是由可以高速打开和关闭的开关电源等半导体器件的操作引起的。这会产生急剧的电流或电压变化，从而引起纹波和噪声。

噪声对策（消除、降低噪声）

为了减少和消除开关噪声，可采取以下对策：

使用滤波器：使用低通滤波器或高通滤波器去除不必要的频率成分。

放置电容器：在电路的关键位置放置电容器，以吸收电压波动。

电路板布局的噪声对策：尽可能缩短布线长度，通过优化布局来降低开关噪声（传导噪声）。

缓冲电路：使用缓冲电路吸收振铃可以降低开关噪声（辐射噪声）。

自举电路的噪声对策：插入电阻可以降低开关噪声（辐射噪声）。

噪音对策的重要性

通过采取有效的开关噪声对策，电路工作将更加稳定，性能得以提高。特别是在高精度电子设备和工业领域的应用中，开关噪声对策是必不可少的。

本文将以DC-DC转换器为例，详细讲解共模噪声和差模噪声产生的原因及对策。此外，还将深入解释串扰的定义以及如何处理缓冲电路中的辐射噪声。了解了这一系列内容后，您就可以实施更高级别的噪声对策。

DC-DC转换器中开关噪声的产生原理

开关噪声的原因是电子电路或电源IC运行过程中出现不必要的电流波动，进而引起高频振铃。下面以DC-DC转换器为例来说明开关噪声。

首先，我们将使用同步整流型降压DC-DC转换器的等效电路来确定开关电流的路径。

令高侧开关为SW1，低侧开关为SW2。当SW1开启（SW2关闭）时，电流路径为：输入电容SW1电感L输出电容。当SW2开启（SW1关闭）时，电流路径为：SW2电感L输出电容。下图显示了这两条电流路径之间的差异。每次开关打开/关闭（ON/OFF）时，红线中的电流都会发生剧烈变化。由于该环路中的电流变化非常陡峭，电路板布线的电感会导致环路中出现高频振铃。

下图显示了电源电路的外部元件与安装的电路板的寄生元件和振铃之间的关系。

上图中，电流变化较快的电路中，寄生元件用红色标记。

布线中存在布线电感，通常每1mm约1nH。此外，电容器具有等效串联电感（ESL），并且MOSFET在其引脚之间具有寄生电容。受这些因素的影响，开关节点会产生100MHz到300MHz的振铃，如红框图中所示。可以使用以下两个公式计算得到的电流和电压：

这种振铃会以高频开关噪声的形式产生多种影响。虽然需要采取对策，但由于电源IC本身无法去除电路板的寄生元件，因此需要电路板布线布局和去耦电容来应对。关于电路板布局，详细说明将在DC-DC转换器的“电路板布局”章节中给出。

关于“差模噪声和共模噪声”和“串扰”，我们稍后会解释。

关于“共模滤波器”，请参考此链接的内容。

差模噪声和共模噪声：原因及对策

开关噪声所属的电磁干扰（EMI）主要分为两类：“传导噪声”和“辐射噪声”。

传导噪声又可分为两类：一类是“差模噪声”，也称为“常模噪声”。这两个术语有时根据条件的不同使用不同，但在本文中它们被视为相同的概念。另一类是“共模噪声”。下面结合附图进行说明。由于本文重点介绍与电源相关的内容，因此插图以“将带有电路的印刷电路板（PCB）安装到外壳中并从外部电源提供电源”为例。

需要注意的是，即使在相同条件下，共模噪声引起的辐射强度也远高于差模噪声。

差模（常模）噪声和共模噪声

差模噪声是指噪声源串联在电源线中，噪声电流与电源电流同向流动，在电源线之间产生噪声。由于往返方向相反，故称为“差模”。

噪声电流沿着与电源电流相同的路径流动

电源线之间产生噪声电压

共模噪声是指通过杂散电容等泄漏的噪声电流，并通过大地流回电源线。由于噪声电流在电源的正极(+) 和负极(-) 侧以相同方向流动，因此称为“共模”噪声。这种类型的噪声不会在电源线之间产生噪声电压。

电源线之间不产生噪声电压

电源线和参考地之间产生噪声电压

噪声电流在电源的正负极上流动方向相同。

如前所述，这种开关噪声是传导噪声。然而，由于噪声电流在电源线中流动，因此出现噪声辐射。

差模噪声引起的辐射电场强度Ed可用左下公式表示。 Id 是差模噪声电流，r 是到观测点的距离，f 是噪声频率。差模噪声会产生噪声电流环路，因此环路面积S是一个非常重要的因素。如图和公式所示，假设其他因素固定，环路面积越大，电场强度越高。

共模噪声引起的辐射的电场强度Ec可用右下公式表示。如图和公式所示，电缆长度L是一个非常重要的因素。

这里，为了确认各种噪声引起的辐射特性，我们尝试通过代入实际数值来计算电场强度（*1）。所有条件保持完全相同，电场强度的观察点用蓝点表示。

*1：公式来源—— 《EMC工学详解 实用降噪技法》，作者：Henry W. Ott，东京电机大学出版社

差模噪声电场强度的计算

假设在面积为20cm的环路中流过频率为100MHz、1A的差模噪声电流。

那么距离1m（90度方向）处的电场强度计算如下：

共模噪声的电场强度计算

假设频率为100MHz、1A的共模噪声电流在20cm电缆中流动。

那么距离1m（90度方向）处的电场强度计算如下：

该计算的核心结论是，即使噪声电流值相同，共模噪声引起的辐射也比差模噪声强得多（在本例中约为100 倍）。无论如何，如果这些传导噪声和辐射噪声（即电磁干扰EMI）超过允许范围，则必须采取噪声对策。特别需要注意的是，在考虑辐射噪声对策时，共模噪声的防治尤为关键。

关于具体对策，将按顺序逐步说明。最基本的原理对策是：对于差模噪声，需要减小环路面积S（例如将电缆改为双绞线），对于共模噪声，应尽可能缩短电缆长度。但在实际应用中，往往受到安装布局或材料等因素的限制，因此需要考虑添加过滤器等解决方案。

本节的核心目标是让读者首先了解噪声的类型和基本特征。

什么是电磁兼容？

什么是“EMC（电磁兼容性）”？下面详细解释它与“EMI（电磁干扰）”和“EMS（电磁敏感性）”的含义和使用场景的差异。

https://techclass.rohm.com.cn/knowledge/emc/s-emc/01-s-emc/6347

串扰（并行布线之间产生的感应噪声）

串扰是指并行线路之间意外的信号或噪声传输。这个问题在模拟通信和音频领域也被称为“丢话”，并且是一个非常常见的问题，尤其是在模拟电话中。另外，这种现象也可称为“混合线”或“串扰干扰”。

这种不必要的信号传输是由布线之间存在的杂散（寄生）电容和互感引起的。例如，在印刷电路板（PCB）上的薄膜布线等场景中尤其明显。这种情况下的信令通常被归类为“感应噪声”。

串扰的根本原因有两个：一是杂散（寄生）电容引起的静电耦合，二是互感引起的电磁耦合。本文将详细解释这些引发机制、具体对策以及简化的等效电路，以帮助理解。

两种情况下都给出了噪声电压Vn 的公式。该电压是在噪声源布线（布线1）与相邻布线（布线2）耦合时产生的。 R为电阻值，C为电容值，M为互感系数，Vs为噪声源电压，Is为噪声源电流。

需要注意的是，并行布线之间会产生串扰。另外，当布线相互垂直时，寄生电容和互感显着减小。

抑制开关噪声的电容器对策

在逐渐加深对开关噪声的基本了解后，我们接下来详细研究实际的噪声对策。其中，电容器是抑制噪声中非常重要的元件。

在“使用电容器的开关噪声对策”中，详细介绍了电容器的阻抗特性以及ESR和ESL等参数对噪声的影响机制。此外，还讨论了去耦电容器的有效使用，以及高频噪声抑制的特殊考虑。

欢迎感兴趣的读者前往“利用电容器的开关噪声对策”页面了解更多信息。本页涵盖了大量实用知识，可以帮助您在开关电源的噪声对策方面采取进一步措施，并支持更高性能电子电路的设计。

前往“利用电容器的噪声对策”页面

抑制辐射噪声的对策（噪声电场强度）

什么是辐射噪声（噪声电场强度）？

在DC-DC转换器的开关噪声抑制中，辐射噪声（噪声电场强度）是另一个必须考虑的关键因素。辐射噪声是由开关导通和关断波形的上升/下降沿斜率和振铃引起的，其频率带宽约为100MHz至300MHz。

开关电源电压上升沿和下降沿的振铃主要是由MOSFET和输入电容之间的布线电感引起的。通过优化输入电容的布局和走线可以有效降低此类噪声。

通过添加缓冲电路来应对开关噪声

当DC-DC转换器电路的辐射噪声超过设备必须满足的合规标准时，可以采用平滑开关波形、添加缓冲电路等方法。

添加缓冲电路是一种广泛使用的降低开关噪声的方法。为了降低开关节点的噪声，需要在输出端配置缓冲电路；为了降低输入端的噪声，需要在输入端添加缓冲电路。本例中，通过在开关节点与地端之间添加电阻和电容，利用电阻来消耗开关振铃产生的高频能量，从而达到抑制振铃的效果。

然而，增加缓冲电路会带来额外的损耗。如果增加电容容量以提高抑制效果，则电阻必须满足相应的功率容差要求。以下是缓冲电路损耗的计算公式和示例。

缓冲电阻为10、环容电容为1000pF、输入电压为12V、振荡频率为1MHz时允许的电阻损耗：

*电阻器额定功率必须选用MCR18(3216)系列：0.25W及以上规格

自举电路的噪声对策

另一种针对开关噪声的对策是“平滑开关波形的方法”。

大多数使用Nch MOSFET 作为高侧开关的IC 都配备有BOOT 引脚。由于该引脚连接到开关节点，通过在引脚处插入电阻，可以平滑高端MOSFET 导通时的电压上升沿，从而抑制开关噪声。

总结：开关噪声对策和电路板布局的重要性

本页详细介绍了开关噪声的相关细节以及DC-DC转换器中开关噪声抑制对策的核心要点。关键原则是“尽可能缩短布线长度”，这对于降低开关噪声有显着效果。

如果设计的电路和选用的元件没有问题，但在实际使用中达不到预期的性能，甚至不能正常工作，则应首先检查电路板布局。此类问题在工程实践中并不少见，需要特别关注。

为了最大限度地减少二次设计，提高包括电路板设计在内的整体设计质量至关重要。布局设计中充分考虑开关噪声的核心防控点是确保设计成功的关键。