开关形式电源会发生噪声。许多运用都需求约束该噪声，然后不影响模仿数据完整性，一起契合某些EMI要求。本文将介绍咱们在开关形式电源(SMPS)中发现的各种类型噪声、评论不同的噪声耦合机制，并终究给出削减噪声生成的处理方案和过滤其他搅扰的最佳战略。
尽管本文评论的概念一般适用于悉数SMPS规划，但本文首要重视非阻隔式DC-DC转化器，或负载点转化器(POL)——它们用来供给电子体系中的各种低压电源轨。现在，板级非阻隔式DC-DC转化一般运用开关形式技能来完结。因而，履行此功用的元件一般称为开关稳压器。
但是应留意，在业界，“DC-DC转化器”、“负载点转化器”和“开关稳压器”等称号必定程度上能够相互替代运用，尽管有的时分电源IC和模块供货商依据器材功用集成度的不同而区别对待这些称号。不管怎么，大部分板级DC-DC转化器实践上是开关稳压器。但非阻隔式DC-DC转化还可经过另一类的稳压器(即线性稳压器)完结。但是，它们首要用作噪声灵敏型负载的电源轨供电。不然，开关稳压器的高功率转化功率能为大部分运用供给优势。
开关稳压器本质上非常噪杂。它们在很短的跃迁时间内导通和关断高电流。这种组合必定会发生许多噪声。尽管开关形式电源的根本原理无法改动，但明显有一些办法能够削减噪声的发生，并经过不同途径过滤其他噪声。这些多样化的手法使运用得以经过EMI测验，一起避免电源噪声耦合至某个体系的其它灵敏模仿电路。
各种噪声类型
开关稳压器发生各种类型的噪声。最重要的是来自开关频率的开关噪声、来自开关跃迁的高频噪声、开关跃迁之后的高频谐波、断续电流导通形式下的高频谐波，以及同一体系中运转多个开关稳压器发生的拍频。
开关频率噪声
开关频率发生的开关噪声或许会有很大影响。现在关于非阻隔式DC-DC转化器而言，开关噪声一般坐落500 kHz至3 MHz规模的频段内。开关频率噪声的特色在于，开关频率能够经过外部时钟信号以较高的精度来调理。经过这样的调理之后，该噪声相对比较简略滤除。
该噪声会发生输出纹波电压，能够经过LC滤波器过滤。别的，能够运用线性稳压器来下降进入灵敏负载的纹波电压。图1中，最上面的波形是降压稳压器发生的输出纹波电压。当运用带有极低等效串联电阻(ESR)的陶瓷输出电容时，这种波形是特征波形。图1中最下面的波形标明放置在开关稳压器输出端的额定LC滤波器或线性稳压器是怎么衰减此信号的。
为了协助规划人员核算特定规划的正确滤波器元件值，半导体制造商经过网站供给核算东西。ADI供给ADIsimPower(用于电路核算)和ADIsimPE(用于仿真)。
图1.依据开关形式电源的开关频率得到的输出纹波电压。
开关跃迁噪声
开关跃迁发生的高频噪声一般最为扎手。此噪声是电流途径上寄生电感的函数，包含与电路板走线、IC引脚、过孔和焊线相关的电感。
举例而言，假如有1英寸PCB走线，那么依据经历规律，假定这段走线存在大约20 nH寄生电感。假定一个典型的开关稳压器规划中，开关跃迁速度为30 ns，所需输出电流为5 A，能够核算出该1英寸走线所发生的失调电压——只需运用电感的根本公式：V = L * di/dt。代入比方中的数值，得到总失调电压为3.3 V。
这是非常大的失调值——由于电流快速改变而导致长度仅为1英寸的走线所发生的失调。发生的这一沟通失调电压将耦合至规划中，导致搅扰耦合噪声。图2显现了一个降压稳压器的开关跃迁。
图2.降压稳压器中的快速开关跃迁。
下降该噪声的要害是最大程度下降寄生电感。上文公式中的“di”无法下降，由于必定的负载要求必定的电流。未来电流或许更大，由于IC工艺几许尺度的缩小要求更低的电压，一起假定功率不变，则电流更大。相似地，“dt”应当为较小值。快速跃迁时间削减开关损耗，然后答应更高的开关频率，能够运用小型低本钱电感和输出电容。
在2000年曾经，大部分开关稳压器运用双极性开关晶体管作为功率开关。它们的跃迁时间相对较慢，为大约100 ns或更长。它们具有较高的开关损耗，要求开关频率较低。但是，它们由于寄生电感发生的失调电压也低得多。
今日，开关跃迁速度达到了几纳秒。未来，运用碳化硅、氮化镓和其它极高速功率开关技能，跃迁时间或许会进一步缩短。这些技能能完结更低的开关损耗，然后有望取得更高的开关频率，答应规划出极为紧凑、低本钱的电源。若要下降所发生的开关跃迁噪声，咱们仅有能做的是下降上文公式中与“L”有关的寄生电感。
图3显现了开关形式降压稳压器中的要害沟通电流走线，在底部以赤色表明。在任何开关形式电源中都很简略找到这些要害走线。第一步，确认导通期间的电流。这一步在最上方的原理图内完结，蓝色表明电流活动。随后，确认关断期间的电流通路。中心的原理图显现了该电流途径，以绿色表明。在第三个原理图中，咱们标出了悉数走线;最上方原理图和中心原理图的电流通路有所不同。这些是咱们在数纳秒时间内将电流巨细从全电流变为零电流的走线。
图3.在开关形式电源中找到沟通电流走线。
这些走线必定要尽量短。这样能够下降寄生电感L，然后下降这类开关跃迁之后发生的失调电压。
在降压稳压器示例中，这意味着输入电容需求尽量接近上管开关，一起尽量接近下管开关的接地。这表明要害沟通走线相同能够是接地走线。这种回来电流不能直接经过接地层。若非如此，那么它们将使接地层发生根据回来走线寄生电感的失调电压。
图4显现了应当怎么处理沟通接地电流回来途径。应将其部分衔接。在此部分接地途径上不能运用过孔，由于它们会导致电感添加，然后添加失调电压，发生更多噪声。当然，此部分沟通电流接地回来走线应当具有地电位，因而咱们经过一个过孔将该走线衔接至接地层的某一点上。这样能够把噪杂的沟通回来电流约束在部分规模内。
接地电流回来途径到接地层的过孔衔接有助于将噪杂的部分沟通电流回来走线从洁净的接地层电压中去耦。
图4.将沟通电流走线约束在部分规模内，且不要直接经过接地层。
损坏这一规矩并让开关稳压器的沟通回来电流进入接地层会导致整个接地层反弹，发生各种问题。接地层理应为体系中的各种子电路供给准确的接地基准电位，一起理应屏蔽RF噪声。假如抱负状况下接地层不搭载电流，那么它将是洁净的，且遍地电压持平。
开关跃迁噪声一般坐落10 MHz至300 MHz规模内。其频率比开关稳压器的开关频率要高得多。针对在电源输出端衰减此噪声而言，运用LC滤波器来下降输出纹波电压的常用办法或许并不是一个很好的挑选。铁氧体磁珠更适合用来衰减这类高频率。
开关跃迁之后的振铃
开关跃迁之后，开关节点上的电压振铃可从图5中看出。这是由多种要素导致的。最首要的原因，是寄生的影响以及电流无法瞬间改变这一现实，它需求一段时间经过寄生电感约束改变。
这类噪声能够经过吸收器或有源箝位电路下降。无源吸收器会将此振铃的能量耗散至电阻，并终究发生热量。有源箝位电路将振铃能量的一部分反应回到电路中，提高电源的总功率。
在简略的非阻隔式DC-DC转化器中，一般不运用吸收器，由于开关节点振铃中的能量大部分时间内都不会太高，只会形成小的搅扰。在根据变压器的开关形式电源中，一般更需求经过原边和副边吸收器或有源箝位电路来下降噪声。
图5.开关跃迁之后的开关节点电压振铃。
断续电流导通形式中的振铃
在断续电流导通形式(DCM)中，能够在开关节点上观察到一些较低频率振铃。它能够在异步降压稳压器中看到，其间下管开关选用续流肖特基二极管完结。当下管开关未主动敞开或关断，而且MOSFET的体二极管搭载关断期间电流时，同步降压稳压器在轻载节能形式下也会体现出此特色。
其发生的振铃如图6所示。它是由于电感电流为零，且两个开关均为关断时，在暂时处于高阻抗的开关节点上来回摇摆电荷所导致。
图6.异步降压稳压器中的DCM振铃。
一般来说，规划一个噪声最低的开关稳压器时，稳压器不该装备为DCM作业形式。在输出功率不变的状况下，DCM比较接连电流导通形式(CCM)发生高得多的峰值电流。这些峰值电流很有或许导致体系发生过多噪声。但是，每一个CCM规划在轻载条件下都会作业在DCM形式。
因而，假如某个规划需求在满载和部分负载条件下以最低噪声运转，则能够运用吸收器来削减DCM振铃。但是，由于此振铃一般为暂时高阻抗开关节点上的极低功率振铃，因而大部分状况下都不需求运用缓冲器。
拍频
拍频是一种由于某体系中两个不同开关频率交叠而发生的低频率。大部分现代电子体系都要求多个电压轨。处理器内核、I/O接口、FPGA以及模仿电路一般要求不同的电源电压。
为了发生这些电压，一般运用开关稳压器。假如挑选简略的固定频率降压型DC-DC转化器，则它们并非全都以彻底一致的开关频率进行切换。典型开关频率或许为1 MHz，但假如检查稳压器数据手册中的电气特性，实践上会发现1 MHz开关频率会在最小值和最大值之间改变。因而，一个开关稳压器或许作业在900 kHz，另一个或许作业在1.1 MHz，而非悉数两个都作业在1 MHz。
图7显现了一个体系内具有两个开关稳压器的示例。尽管悉数两个开关都是同一种类型，且它们的典型开关频率为1 MHz，但最上面的稳压器作业在1.1 MHz，而最下面的稳压器则作业在900 kHz。在最上面那个开关的输出端明显能够看到1.1 MHz纹波电压，但一起也能看到900 KHz开关的额定作用。这是最下面那个稳压器的输入开关噪声，经过最上面的稳压器耦合至2.5 V输出电压。
不管何时，只需有相似这样的交叠频率，两个峰值都会不时落在对方的顶部，由此发生额定的较低频率。此频率或许会耦合进入体系中，且一般不易滤除这一低频。它乃至还或许是一种声频，导致体系发生搅扰声响。
图7.一个体系中的多个开关稳压器以及拍频的发生。
处理此效应的最佳方法是将体系中的悉数开关稳压器同步至相同的开关频率。这样便不会发生拍频。在进行这样处理的一起，相移每一个开关稳压器的开关周期是一个很好的主见。这表明它们同享相同的开关频率，但在不同的时间开端导通上管开关。这导致多个开关稳压器在不一起刻开端拉取源电流。活跃的一面是这样下降了降压稳压器输入线路上的噪声，并削减所需的输入旁路电容数量，节省了电路板空间，下降了本钱。
完结这种交织式稳压器的一种方法是运用带有多个开关稳压器的电源办理单元，一切元件悉数集成在一个芯片内，比方ADI的ADP5135。之后，电路规划人员便无需忧虑不同开关的同步和相移问题。它们是主动完结的，且不会呈现拍频。
降压稳压器中的输入滤波
许多时分，当在体系中运用降压稳压器且存在噪声问题时，工程师直观地决议过滤稳压器输出。由于输出终究衔接至噪声灵敏型负载，因而需求过滤输出——或沿着这条思路进行规划。但现实上，降压稳压器发生的输出一般具有较低的噪声。
图8显现了降压转化器的低噪声和高噪声端。输出端为低噪声，由于电感与输出串联。电感电流在导通期间上升，在关断期间下降。相反，降压转化器的输入端具有极高的噪声。在导通期间，最大电流流过输入走线;在关断期间，没有电流流入输入端。这便是将输入线路视作沟通电流线路的原因。
图8.降压稳压器的输入端实践上是噪杂的一端。
输入电容的确有助于略为平摊源电流，但它无法彻底发生稳定的直流输入电流。因而，规划人员应当紧记，当体系中呈现降压稳压器有关的噪声问题时，问题一般并非出在降压稳压器的输出端，而是输入端。输入端噪声很大，且在特定PCB上常常具有很长的走线。能够凭借输入滤波处理这个问题。
