在現(xiàn)代電子設(shè)備的蓬勃發(fā)展進(jìn)程中，DCDC 開關(guān)電源憑借其效率高、體積小、成本低等顯著優(yōu)勢(shì)，在通信、計(jì)算機(jī)、消費(fèi)電子以及工業(yè)控制等眾多領(lǐng)域獲得了極為廣泛的應(yīng)用。然而，隨著電子設(shè)備朝著高頻化、集成化和小型化的方向不斷邁進(jìn)，DCDC 開關(guān)電源所產(chǎn)生的噪聲問題也日益凸顯，逐漸成為制約其進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。尤其是輸入前端噪聲，不僅會(huì)對(duì)電源本身的性能產(chǎn)生不良影響，還可能通過傳導(dǎo)或輻射的方式干擾周邊的電子設(shè)備，甚至引發(fā)系統(tǒng)故障。因此，深入研究 DCDC 開關(guān)電源輸入前端噪聲的產(chǎn)生機(jī)理、傳播路徑以及有效的抑制方法，對(duì)于提高電源的可靠性和電磁兼容性具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

二、DCDC 開關(guān)電源輸入前端噪聲概述

(一)噪聲的定義與分類

在 DCDC 開關(guān)電源中，輸入前端噪聲是指在電源輸入端出現(xiàn)的、非期望的電磁干擾信號(hào)。這些噪聲信號(hào)的頻率范圍十分廣泛，從低頻到高頻均有分布，并且具有復(fù)雜的波形特征。根據(jù)噪聲的產(chǎn)生機(jī)理，可以將其大致分為傳導(dǎo)噪聲和輻射噪聲兩大類。

傳導(dǎo)噪聲主要是通過電源線、地線等導(dǎo)體進(jìn)行傳播的。它通常是由于開關(guān)管的高頻開關(guān)動(dòng)作，導(dǎo)致電路中產(chǎn)生快速變化的電流和電壓，這些變化的電流和電壓通過導(dǎo)體形成傳導(dǎo)路徑，從而在輸入前端產(chǎn)生噪聲。傳導(dǎo)噪聲的頻率范圍一般較低，通常在幾十千赫茲到幾兆赫茲之間。

輻射噪聲則是由于電路中的高頻電流和電壓產(chǎn)生的電磁場(chǎng)，通過空間輻射的方式傳播到周圍環(huán)境中。輻射噪聲的頻率范圍相對(duì)較高，一般在幾兆赫茲到幾百兆赫茲甚至更高。輻射噪聲不僅會(huì)對(duì)周邊的電子設(shè)備造成干擾，還可能對(duì)人體健康產(chǎn)生潛在的危害。

(二)輸入前端噪聲的特點(diǎn)

DCDC 開關(guān)電源輸入前端噪聲具有以下幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

寬頻帶特性：由于開關(guān)管的開關(guān)速度不斷提高，使得噪聲的頻率范圍越來越寬，涵蓋了從低頻到超高頻的多個(gè)頻段。

周期性脈沖特性：開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作是周期性的，因此輸入前端噪聲也呈現(xiàn)出周期性的脈沖特性，其脈沖寬度和重復(fù)頻率與開關(guān)管的開關(guān)頻率密切相關(guān)。

非線性特性：電路中的元件如開關(guān)管、二極管等具有非線性特性，這使得噪聲信號(hào)具有非線性特征，增加了噪聲分析和抑制的難度。

與電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)：不同的 DCDC 開關(guān)電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如 Buck、Boost、Buck - Boost 等，其輸入前端噪聲的特性也有所不同。這是由于不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路在開關(guān)過程中電流和電壓的變化規(guī)律不同所導(dǎo)致的。

三、DCDC 開關(guān)電源輸入前端噪聲的產(chǎn)生來源與傳播路徑

(一)噪聲產(chǎn)生來源

開關(guān)管的開關(guān)動(dòng)作

開關(guān)管(如 MOSFET、IGBT 等)是 DCDC 開關(guān)電源中產(chǎn)生噪聲的主要源頭之一。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，其漏極電流和源極電壓會(huì)發(fā)生快速變化，從而在電路中產(chǎn)生高頻的 di/dt 和 dv/dt。這些快速變化的電流和電壓會(huì)激發(fā)電路中的寄生電感和寄生電容，產(chǎn)生振蕩和輻射，形成噪聲。

以 MOSFET 為例，在導(dǎo)通瞬間，漏極電流會(huì)從幾乎為零迅速上升到負(fù)載電流值，這個(gè)過程中的 di/dt 非常大，會(huì)在 MOSFET 的寄生電感(如封裝電感、線路電感等)上產(chǎn)生較大的電壓降，從而形成噪聲電壓。在關(guān)斷瞬間，漏極電壓會(huì)從導(dǎo)通時(shí)的低電壓迅速上升到輸入電壓值，dv/dt 同樣很大，會(huì)導(dǎo)致 MOSFET 的寄生電容(如柵源電容、漏源電容等)進(jìn)行充放電，產(chǎn)生高頻電流，進(jìn)而形成噪聲。

二極管的反向恢復(fù)特性

在 DCDC 開關(guān)電源中，二極管通常用于整流或續(xù)流。當(dāng)二極管從導(dǎo)通狀態(tài)轉(zhuǎn)換為截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，會(huì)存在反向恢復(fù)過程。在反向恢復(fù)期間，二極管會(huì)有一個(gè)較大的反向恢復(fù)電流，該電流的變化率(di/dt)很大，會(huì)在電路中產(chǎn)生高頻噪聲。

反向恢復(fù)電流的大小和持續(xù)時(shí)間取決于二極管的類型和參數(shù)。例如，普通硅二極管的反向恢復(fù)時(shí)間較長，反向恢復(fù)電流較大，因此產(chǎn)生的噪聲也相對(duì)較大;而肖特基二極管的反向恢復(fù)時(shí)間很短，幾乎可以忽略不計(jì)，因此產(chǎn)生的噪聲較小。

電感和電容的寄生參數(shù)

電感和電容是 DCDC 開關(guān)電源中的關(guān)鍵儲(chǔ)能元件，但它們同時(shí)也存在寄生參數(shù)，如電感的直流電阻、寄生電容，電容的等效串聯(lián)電阻(ESR)、等效串聯(lián)電感(ESL)等。這些寄生參數(shù)會(huì)在開關(guān)過程中引起能量的損耗和噪聲的產(chǎn)生。

對(duì)于電感來說，其寄生電容會(huì)在高頻下形成諧振回路，導(dǎo)致電感的阻抗特性發(fā)生變化，從而影響電路的濾波效果。同時(shí)，電感的磁芯在高頻下會(huì)產(chǎn)生磁滯損耗和渦流損耗，這些損耗也會(huì)轉(zhuǎn)化為噪聲能量。

對(duì)于電容來說，其等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)會(huì)在電流通過時(shí)產(chǎn)生電壓降和電感壓降，從而形成噪聲。特別是在高頻情況下，電容的 ESL 效應(yīng)更加明顯，會(huì)導(dǎo)致電容的濾波效果下降，甚至失去濾波作用。

輸入電源的波動(dòng)與干擾

輸入電源本身的波動(dòng)和干擾也會(huì)耦合到 DCDC 開關(guān)電源的輸入前端，形成噪聲。例如，電網(wǎng)中的諧波、雷擊浪涌、開關(guān)瞬變等干擾信號(hào)，以及輸入電源的電壓波動(dòng)、頻率漂移等，都可能通過輸入線傳導(dǎo)到電源內(nèi)部，影響電源的正常工作。

(DCDC 開關(guān)電源輸入前端噪聲是一個(gè)復(fù)雜的電磁干擾問題，其產(chǎn)生來源多樣，傳播路徑復(fù)雜，對(duì)電源本身的性能和周邊電子設(shè)備的正常工作都有著嚴(yán)重的影響。通過對(duì)噪聲產(chǎn)生機(jī)理、傳播路徑和影響的深入分析，我們可以采取元件選型與布局優(yōu)化、濾波電路設(shè)計(jì)、屏蔽與接地技術(shù)以及軟開關(guān)技術(shù)等多種措施來抑制輸入前端噪聲，提高電源的可靠性和電磁兼容性。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)景和技術(shù)要求，綜合運(yùn)用多種噪聲抑制方法，進(jìn)行合理的電路設(shè)計(jì)和 PCB 布局，以達(dá)到最佳的噪聲抑制效果。同時(shí)，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新型的噪聲抑制技術(shù)和元件也在不斷涌現(xiàn)，我們需要持續(xù)關(guān)注行業(yè)動(dòng)態(tài)，不斷探索和創(chuàng)新，以解決 DCDC 開關(guān)電源噪聲問題，推動(dòng)電源技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。