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高精度模拟电路的传统供电方式是采用调节性能好、噪声低的线性电源。而近年来由于开关电源的高效率,低温升、体积小、重量轻等优点,已越来越多的应用于电子系统,并作为模拟电路的供电电源。尽管有这些优点,但其高输出噪声,往往导致电噪声、辐射噪声以及不期望的电磁场。其输出噪声是一瞬变电压或尖峰电压,所包含的频率成份可达100ＭＨＺ甚至更高。为了理解噪声对模拟电路和系统的影响,了解ＥＭＩ的过程是必要的。每个干扰都有一个源、一个路径和一个接收器。一般有三种方法处理干扰:一是通过合理布局、控制或减小脉冲上升沿时间、滤波以及适当地接地可减小干扰源的影响;二是通过民间蔽和物理分离减小辐射和传导回路;三是通过对电源通路与信号通路的滤波、阻抗的控制与平衡以及差分技术来抑制不期望的共模信号以改善接收器的抗扰性能。对于高频开关噪声的抑制一般采用电容器、电感、铁氧体、电阻、线性后置调节器以及与敏感的模拟电路分离等器件和方法,它们的不同处在于电特性以及减小噪声的实用性。
2.1 电容对电源噪声的抑制及其使用原则
电容器是开关电源*重要的单一滤波器件,其类型有许多种,对它们特性的理解是设计有效实用性滤波器必须遵循的。对10ＭＨＺ～100ＭＨＺ的滤波器,有三类可利用的电容器:电解、薄膜和陶瓷。对于任何电解质,其主要的潜在滤波损耗因素是等效串联电阻(ＥＳＲ),即电容的净寄生电阻。ＥＳＲ对滤波性能有根本限制,会改变频率和温度,必须给予足够的考虑。电容的另一种损砂因素是等效串联电感(ＥＳＬ),ＥＳＬ决定了转换开关从容性到感性变换中特性阻抗的频率。这种改变从10ＫＨＺ的电解电容到100ＭＨＺ,甚至频率更高的瓷片电容均存在,采用无引线封装可减小ＥＳＲ和ＥＳＬ。电解系列电容是高性价比,低频率的滤波器件,它具有取值范围大,工作电压宽的特点。一般用途的铝电解电容的工作电压可以从10Ｖ～500Ｖ,容量从1到几千微法。由于电解电容经过极化处理,因此不能过压及施加反压,其漏电流相对较高。电解系到中有一种钽电容,其工作电压不超过100Ｖ,容量不超过100微法。同样体积下,比一般用途的电解电容有更高容量体积比,具有较高的频率范围和低的ＥＳＲ,价格高,对于具有浪涌和脉动电流的场合应谨慎用之。薄膜电容器的容量范围大,组成电解质多,包括聚脂、聚碳酸脂、聚苯撑及聚苯乙烯,由于其组成介质的低绝缘性,其容量很低。薄膜类的ＥＳＲ可以低于10ｍΩ且具有较高的品质因数。但在实际中可能引起谐振,需要阻感器件。采用层绕结构的薄膜电容器具有感性,可在高频滤波器中限制其效率。薄膜电容器能否用于10ＭＨＺ以上的场合取决于其电特性和物理尺寸,在较高频高率场合只有多层薄膜式可以考虑。陶瓷是几ＭＨＺ以上电容的常用材料,由于它体积小,损耗低,具有零温度系数和低电压系数,*小可到0.01微法。多层陶瓷片是10ＭＨＺ或更高频率场合*常用和旁路/滤波器件,其低感性设地用于ＲＦ旁路,操作频率可达1ＧＨＺ。所有电容都有一定的ＥＳＲ,在某些情况下,通过阻尼,ＥＳＲ对减小谐振峰值却是有益的。对于大多数电解类电容器,在低温时其ＥＳＲ更大。电容器的寄生成份限制其性能,电路网络可等效为一具有ＥＳＲ和ＥＳＬ的电容器及一些旁路电阻,在低频时网络阻抗呈容性,其网络阻抗取决于ＥＳＲ,高频时呈感性,并取决于ＥＳＬ。
2.2 电感与铁氧体对电源噪声垢抑制及其使用原则
电感与铁氧体在电源滤波中是非常有用的,在小于100ＫＨＺ的低频段铁氧体为感性,是很好的ＬＣ低通滤器;在大于100ＫＨＺ时铁氧体呈阻性,其阻抗与材料、工作频率、直流偏流、绕线匝数尺寸、形状及温度有关。具有适用于25ＫＨＺ以上频率范围,形状与大小选择余地大,在高频时主要呈阻性,低直流损耗,低价格,高磁性饱和电流等特点。铁氧体阻抗取决于一些耦合参数且很难定量分析,因此铁氧体的选择是不容易的,然而,只要了解一些系统的特征,将使选择变得容易一些,首先应确定要小滤波的频率范围;**应知道滤波器所期望的温度范围;第三应知道滤波器的电流以防止饱和。
2.3 电源噪声滤波器的设计原则
通过选择适当的元器件可设计适合于高低平滑噪声的宽带滤波器,一般采用两级,每级适应一频率范围。共基本级用于为直流加载电流提供通路并对1～10ＭＨＺ范围的噪声进行滤波。降低直流损耗的关键是选择输入扼流圈,应选择ＤＣＲ(直流阻抗)小于0 25欧姆,电感量为100微亨的铁氧体扼流圈,其低电感量漂移允许300ｍＡ的加载电流且直流误差不超过75ｍｖ。选择符合预算和安装空间限制的高耐压电容器以减少ＥＳＲ,提高滤波性能,选择额定直流电流下电容量变化低且ＤＣＲ小的扼流器;ＰＣＢ布线尽可能短而宽以减少电压降和电感,ＰＣＢ走线宽度至少为200ｍｉｌ以使ＤＣＲ*小;采用短引脚或无引脚器件,以减小引脚电感;采用大面积接地层以减小阻抗;交流供电线路潜在有致命的噪声,要安装交流供电线路滤波器。
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