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高精度模擬電路的傳統供電方式是采用調節性能好、噪聲低的線性電源。而近年來由于開關電源的高效率,低溫升、體積小、重量輕等優點,已越來越多的應用于電子系統,并作為模擬電路的供電電源。盡管有這些優點,但其高輸出噪聲,往往導致電噪聲、輻射噪聲以及不期望的電磁場。其輸出噪聲是一瞬變電壓或尖峰電壓,所包含的頻率成份可達100ＭＨＺ甚至更高。為了理解噪聲對模擬電路和系統的影響,了解ＥＭＩ的過程是必要的。每個干擾都有一個源、一個路徑和一個接收器。一般有三種方法處理干擾:一是通過合理布局、控制或減小脈沖上升沿時間、濾波以及適當地接地可減小干擾源的影響;二是通過民間蔽和物理分離減小輻射和傳導回路;三是通過對電源通路與信號通路的濾波、阻抗的控制與平衡以及差分技術來抑制不期望的共模信號以改善接收器的抗擾性能。對于高頻開關噪聲的抑制一般采用電容器、電感、鐵氧體、電阻、線性后置調節器以及與敏感的模擬電路分離等器件和方法,它們的不同處在于電特性以及減小噪聲的實用性。
2.1 電容對電源噪聲的抑制及其使用原則
電容器是開關電源*重要的單一濾波器件,其類型有許多種,對它們特性的理解是設計有效實用性濾波器必須遵循的。對10ＭＨＺ～100ＭＨＺ的濾波器,有三類可利用的電容器:電解、薄膜和陶瓷。對于任何電解質,其主要的潛在濾波損耗因素是等效串聯電阻(ＥＳＲ),即電容的凈寄生電阻。ＥＳＲ對濾波性能有根本限制,會改變頻率和溫度,必須給予足夠的考慮。電容的另一種損砂因素是等效串聯電感(ＥＳＬ),ＥＳＬ決定了轉換開關從容性到感性變換中特性阻抗的頻率。這種改變從10ＫＨＺ的電解電容到100ＭＨＺ,甚至頻率更高的瓷片電容均存在,采用無引線封裝可減小ＥＳＲ和ＥＳＬ。電解系列電容是高性價比,低頻率的濾波器件,它具有取值范圍大,工作電壓寬的特點。一般用途的鋁電解電容的工作電壓可以從10Ｖ～500Ｖ,容量從1到幾千微法。由于電解電容經過極化處理,因此不能過壓及施加反壓,其漏電流相對較高。電解系到中有一種鉭電容,其工作電壓不超過100Ｖ,容量不超過100微法。同樣體積下,比一般用途的電解電容有更高容量體積比,具有較高的頻率范圍和低的ＥＳＲ,價格高,對于具有浪涌和脈動電流的場合應謹慎用之。薄膜電容器的容量范圍大,組成電解質多,包括聚脂、聚碳酸脂、聚苯撐及聚苯乙烯,由于其組成介質的低絕緣性,其容量很低。薄膜類的ＥＳＲ可以低于10ｍΩ且具有較高的品質因數。但在實際中可能引起諧振,需要阻感器件。采用層繞結構的薄膜電容器具有感性,可在高頻濾波器中限制其效率。薄膜電容器能否用于10ＭＨＺ以上的場合取決于其電特性和物理尺寸,在較高頻高率場合只有多層薄膜式可以考慮。陶瓷是幾ＭＨＺ以上電容的常用材料,由于它體積小,損耗低,具有零溫度系數和低電壓系數,*小可到0.01微法。多層陶瓷片是10ＭＨＺ或更高頻率場合*常用和旁路/濾波器件,其低感性設地用于ＲＦ旁路,操作頻率可達1ＧＨＺ。所有電容都有一定的ＥＳＲ,在某些情況下,通過阻尼,ＥＳＲ對減小諧振峰值卻是有益的。對于大多數電解類電容器,在低溫時其ＥＳＲ更大。電容器的寄生成份限制其性能,電路網絡可等效為一具有ＥＳＲ和ＥＳＬ的電容器及一些旁路電阻,在低頻時網絡阻抗呈容性,其網絡阻抗取決于ＥＳＲ,高頻時呈感性,并取決于ＥＳＬ。
2.2 電感與鐵氧體對電源噪聲垢抑制及其使用原則
電感與鐵氧體在電源濾波中是非常有用的,在小于100ＫＨＺ的低頻段鐵氧體為感性,是很好的ＬＣ低通濾器;在大于100ＫＨＺ時鐵氧體呈阻性,其阻抗與材料、工作頻率、直流偏流、繞線匝數尺寸、形狀及溫度有關。具有適用于25ＫＨＺ以上頻率范圍,形狀與大小選擇余地大,在高頻時主要呈阻性,低直流損耗,低價格,高磁性飽和電流等特點。鐵氧體阻抗取決于一些耦合參數且很難定量分析,因此鐵氧體的選擇是不容易的,然而,只要了解一些系統的特征,將使選擇變得容易一些,首先應確定要小濾波的頻率范圍;**應知道濾波器所期望的溫度范圍;第三應知道濾波器的電流以防止飽和。
2.3 電源噪聲濾波器的設計原則
通過選擇適當的元器件可設計適合于高低平滑噪聲的寬帶濾波器,一般采用兩級,每級適應一頻率范圍。共基本級用于為直流加載電流提供通路并對1～10ＭＨＺ范圍的噪聲進行濾波。降低直流損耗的關鍵是選擇輸入扼流圈,應選擇ＤＣＲ(直流阻抗)小于0 25歐姆,電感量為100微亨的鐵氧體扼流圈,其低電感量漂移允許300ｍＡ的加載電流且直流誤差不超過75ｍｖ。選擇符合預算和安裝空間限制的高耐壓電容器以減少ＥＳＲ,提高濾波性能,選擇額定直流電流下電容量變化低且ＤＣＲ小的扼流器;ＰＣＢ布線盡可能短而寬以減少電壓降和電感,ＰＣＢ走線寬度至少為200ｍｉｌ以使ＤＣＲ*小;采用短引腳或無引腳器件,以減小引腳電感;采用大面積接地層以減小阻抗;交流供電線路潛在有致命的噪聲,要安裝交流供電線路濾波器。
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