在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中，電源噪聲問(wèn)題愈發(fā)凸顯，嚴(yán)重影響著設(shè)備的性能與穩(wěn)定性。從智能手機(jī)、筆記本電腦到工業(yè)控制設(shè)備、醫(yī)療儀器，各類電子設(shè)備都面臨著電源噪聲的挑戰(zhàn)。例如，在醫(yī)療成像設(shè)備中，電源噪聲可能導(dǎo)致圖像出現(xiàn)干擾條紋，影響診斷準(zhǔn)確性;在通信基站中，電源噪聲會(huì)干擾信號(hào)傳輸，降低通信質(zhì)量。因此，解決電源噪聲問(wèn)題刻不容緩。

電源噪聲的產(chǎn)生根源

電源噪聲的產(chǎn)生與多種因素相關(guān)。從電路元件角度看，開關(guān)電源中的功率開關(guān)管在導(dǎo)通與截止瞬間，會(huì)產(chǎn)生電流與電壓的急劇變化，即高 di/dt 和 dv/dt，這是噪聲的重要來(lái)源。如常見的 Buck 變換器，功率開關(guān)管的頻繁切換會(huì)在電路中激起高頻噪聲。電感和電容等儲(chǔ)能元件，由于存在寄生電阻和寄生電感，在充放電過(guò)程中也會(huì)引入噪聲。

電路布局同樣對(duì)電源噪聲有顯著影響。不合理的 PCB 布局，像電源線與信號(hào)線距離過(guò)近，會(huì)因電磁耦合產(chǎn)生噪聲干擾;過(guò)長(zhǎng)的電源線會(huì)增加線路阻抗，導(dǎo)致電壓降和噪聲增大。在多層 PCB 設(shè)計(jì)中，如果電源層和地層設(shè)計(jì)不當(dāng)，如層間電容不合理，會(huì)造成電源噪聲的傳播與放大。

外部環(huán)境也是電源噪聲的誘因之一。空間中的電磁輻射，如來(lái)自手機(jī)信號(hào)、無(wú)線通信設(shè)備的電磁波，可能耦合到電源線路中產(chǎn)生噪聲;附近大功率設(shè)備的啟停，會(huì)引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，這種波動(dòng)通過(guò)電源進(jìn)入電子設(shè)備，成為電源噪聲。

電路設(shè)計(jì)優(yōu)化策略

合理選擇電路拓?fù)?

不同的電源電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在噪聲特性上差異明顯。Buck 拓?fù)溥m用于降壓場(chǎng)景，其輸出電壓低于輸入電壓，通過(guò)精準(zhǔn)控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止時(shí)間，能有效降低輸出電壓紋波，減少因電壓波動(dòng)產(chǎn)生的噪聲，在對(duì)輸出電壓穩(wěn)定性要求高的電路中應(yīng)用廣泛。Boost 拓?fù)溆糜谏龎海谏龎哼^(guò)程中，需注意電感電流的連續(xù)與不連續(xù)模式對(duì)噪聲的影響，合理設(shè)計(jì)可降低噪聲。對(duì)于需要輸出與輸入電壓反向的場(chǎng)合，Buck - Boost 拓?fù)漭^為合適，但該拓?fù)湓陂_關(guān)過(guò)程中易產(chǎn)生較大噪聲，需通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)抑制。

優(yōu)化控制電路

控制電路對(duì)電源噪聲的控制起著關(guān)鍵作用。軟開關(guān)技術(shù)，如零電壓開關(guān)(ZVS)和零電流開關(guān)(ZCS)，通過(guò)在開關(guān)管導(dǎo)通和截止時(shí)使電壓或電流為零，極大地減少了開關(guān)過(guò)程中的能量損耗和電磁干擾，在高端電源設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多。優(yōu)化反饋環(huán)節(jié)也是降低噪聲的重要手段，精確的反饋控制能使電源輸出電壓和電流保持穩(wěn)定，避免因輸出不穩(wěn)定產(chǎn)生噪聲。例如，采用高性能的誤差放大器和穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓源，可提高反饋控制的精度。

增加緩沖電路

緩沖電路能有效吸收開關(guān)過(guò)程中產(chǎn)生的尖峰電壓和電流，從而降低噪聲。在開關(guān)管兩端并聯(lián)由電容和電阻組成的緩沖電路，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通和截止時(shí)，電容迅速吸收瞬間尖峰電壓，電阻則消耗電容儲(chǔ)存的能量，避免尖峰對(duì)電路其他部分造成影響，減少電磁干擾和噪聲。在大功率電源中，緩沖電路的作用更為突出，它不僅能降低噪聲，還能保護(hù)開關(guān)管免受過(guò)高電壓和電流的沖擊，提高電源的穩(wěn)定性和可靠性。

低噪聲元件的選用技巧

低噪聲開關(guān)管的選擇

開關(guān)管是電源噪聲的主要產(chǎn)生元件之一。選擇低噪聲開關(guān)管時(shí)，需綜合考慮開關(guān)速度、導(dǎo)通電阻和寄生參數(shù)等因素。高速、低導(dǎo)通電阻的 MOS 管，因其開關(guān)速度快，開關(guān)過(guò)程中能量損耗小，噪聲相對(duì)較低。同時(shí)，要關(guān)注開關(guān)管的寄生電容和電感，這些寄生參數(shù)會(huì)影響開關(guān)特性進(jìn)而產(chǎn)生噪聲，應(yīng)選擇寄生參數(shù)小的開關(guān)管。例如，在高頻開關(guān)電源中，采用新型的碳化硅(SiC)或氮化鎵(GaN)開關(guān)管，相較于傳統(tǒng)硅基開關(guān)管，它們具有更低的導(dǎo)通電阻和更快的開關(guān)速度，能有效降低噪聲。

高品質(zhì)電容和電感的應(yīng)用

電容和電感是電源濾波和儲(chǔ)能的關(guān)鍵元件。選擇電容時(shí)，要考慮電容值、耐壓值、等效串聯(lián)電阻(ESR)和等效串聯(lián)電感(ESL)等參數(shù)。低 ESR 和低 ESL 的電容，在濾波時(shí)能更有效地減少電壓紋波和電流波動(dòng)，降低噪聲。在選擇電感時(shí)，確保電感值滿足電路要求，同時(shí)注意磁芯材料和繞制工藝。高磁導(dǎo)率的磁芯材料和合理的繞制工藝，可減少電感的磁滯損耗和漏磁，降低噪聲。例如，采用鐵氧體磁芯的電感，在抑制噪聲方面表現(xiàn)較好。

屏蔽型元件的使用

對(duì)于易產(chǎn)生電磁干擾的元件，如變壓器、電感等，可選用屏蔽型元件。屏蔽型元件通過(guò)在外部添加屏蔽層，有效阻擋電磁干擾的傳播，降低對(duì)周邊電路的噪聲影響。在開關(guān)電源中，采用屏蔽型變壓器能減少變壓器漏磁產(chǎn)生的電磁干擾，提高電源的抗干擾能力;屏蔽型電感也能減少自身磁場(chǎng)對(duì)其他元件的影響，降低噪聲。

屏蔽與接地的關(guān)鍵作用

合理的屏蔽設(shè)計(jì)

合理的屏蔽設(shè)計(jì)可有效阻擋電源內(nèi)部電磁干擾的傳播，減少對(duì)外部設(shè)備的噪聲影響。在電源外殼設(shè)計(jì)中，采用金屬材質(zhì)外殼并確保良好接地，金屬外殼能將內(nèi)部電磁干擾限制在殼內(nèi)。在電路板設(shè)計(jì)中，對(duì)開關(guān)管、變壓器等關(guān)鍵電路模塊采取局部屏蔽措施，如在元件周圍設(shè)置接地銅箔或屏蔽罩，進(jìn)一步減少電磁干擾的傳播。例如，在電磁兼容性要求高的航空電子設(shè)備中，對(duì)電源部分進(jìn)行全面屏蔽設(shè)計(jì)，能有效降低電源噪聲對(duì)其他電子系統(tǒng)的干擾。

良好的接地設(shè)計(jì)

良好的接地為電流提供低阻抗回路，減少電流在電路中產(chǎn)生的電磁干擾。在電路板設(shè)計(jì)中，合理規(guī)劃接地層，確保接地路徑短而寬，將模擬地和數(shù)字地分開，避免數(shù)字信號(hào)干擾模擬信號(hào)。在電源輸入和輸出端設(shè)置合適的接地電容，可進(jìn)一步降低噪聲。對(duì)于大功率電源，可采用多點(diǎn)接地方式，提高接地可靠性。例如，在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中，通過(guò)精心設(shè)計(jì)接地系統(tǒng)，能有效降低電源噪聲對(duì)控制系統(tǒng)的干擾，提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

屏蔽與接地的協(xié)同配合

屏蔽和接地相輔相成，只有配合良好才能有效降低電源噪聲。進(jìn)行屏蔽設(shè)計(jì)時(shí)，確保屏蔽層與接地層可靠連接，形成完整的屏蔽接地系統(tǒng)。若屏蔽層接地不良，反而會(huì)成為電磁干擾輻射源，增加噪聲。在實(shí)際應(yīng)用中，要仔細(xì)檢查屏蔽層和接地層的連接情況，避免虛接或接觸不良。例如，在通信設(shè)備的電源模塊中，通過(guò)嚴(yán)格保證屏蔽與接地的協(xié)同工作，可顯著提高設(shè)備的抗干擾能力，保障通信質(zhì)量。

解決電源噪聲問(wèn)題需要從電路設(shè)計(jì)優(yōu)化、低噪聲元件選用以及完善屏蔽與接地等多方面綜合施策。通過(guò)合理運(yùn)用這些方法，能夠顯著降低電源噪聲，提高電子設(shè)備的性能、穩(wěn)定性和可靠性，滿足現(xiàn)代電子技術(shù)不斷發(fā)展的需求。