开关噪声 EMC 噪声对策

一路上

一、前言

开关电源在日常生活中被广泛应用，其对电力的使用与管理有着重要的控制作用。目前开关电源很多方面都存在着一定的优点，可以满足现代电力管理的需要，但是由于其在使用过程中受内部因素以及外部因素的影响，很容易造成噪音的产生。这种噪音出现频率高，产生影响大，为人们的工作生活带来的一定的负面影响，因此如何有效的降低开关电源噪音成为了现在有关工作人员急需解决的问题。

二、噪声对策步骤

1. 噪声对策和产品开发阶段

通过了解开关电源的功能模块和原理，噪声对策步骤从产品的设计/开发到量产的过程中，应该在不同阶段采取噪声的对策。

右图是相对于设计/开发、评估、量产的时间轴，采取噪声对策的灵活性（即可以采取的对策的选项多少）以及对策所需成本的示意图。纵轴可以理解为越往上越“高”。

由图可见，随着开发进程的推进，可使用的噪声对策技术和手段越来越有限，对策成本也越来越高。开始量产后发现噪声问题，想采取对策，但无奈产品已成型，束手无策，最终只能变更PCB板等等，这样的事情谁也不希望发生。

大原则是，在产品开发的初期阶段，预先进行充分的探讨与评估，这样，即使发现噪声问题，也可以从容有效地采取噪声对策。另外还有一点非常重要，那就是掌握噪声的种类和性质，并针对不同的噪声采取不同的有效对策。如果盲目地采取对策，常常会发生不仅降噪效果差，甚至导致噪声反而恶化的情况。

2. 噪声对策步骤

如前所述，盲目的对策只会增加损失。在确定对策之前，需要遵循以下几个步骤：

步骤1：把握开关波形的频率成分

需要确认开关频率、上升/下降、过冲/下冲、振铃等与基波同时产生的不同现象的频率成分。这有助于根据希望解决的目标噪声的频率来确定不同的对策方法和相应部件，如果选择不当，效果则可能不理想。

步骤2：把握噪声产生源与传导路径

确认所产生的开关噪声是从哪一路径传导到一次侧或二次侧的。噪声对策需要在噪声的传导路径实施。而且，必须对所有的传导路径采取对策。哪怕忽略了一处传导路径，对策也是不完全的。

步骤3：强化GND

噪声对策的最后一步是增加降噪部件，但在此之前应该先探讨加强PCB（印刷电路板）的GND。优异的GND设计不仅可降低噪声，还是提升性能和稳定性的重要环节。通过强化GND，可降低环路的阻抗。另外，还可有效提升滤波器的效果。

步骤4：增加滤波器等降噪部件

最后是根据噪声的种类和性质，探讨相应的噪声对策部件并在电路中添加相应部件，比如通过滤波器来滤除、通过旁路电容来旁路滤除、通过芯片磁珠等的电阻成分来吸收噪声等。滤波器、旁路电容的效果等如步骤3所述，会受GND好坏的影响，所以请务必先强化GND。

关键要点

▪ 随着开发进程的推进，可使用的噪声对策技术和手段越来越有限，对策成本也越来越高。
▪ 在产品开发的初期阶段，预先进行充分探讨与评估，可以从容有效地采取噪声对策。
▪ 掌握噪声的种类和性质，并针对不同的噪声采取不同的有效对策是非常重要的。
▪ 噪声对策按照“把握频率成分→把握产生源和传导路径→强化GND→增加降噪部件”的步骤进行。

三、开关电源噪声基础知识

此前在开关电源产生噪声的原理、差模噪声和共模噪声原因与措施和串扰的基础知识，对“差模（常模）噪声与共模噪声”和“串扰”的基本噪声进行了介绍。下图是这些噪声及其相应的基本对策。

要想降低差模噪声（蓝色），可在电路板上缩小大电流路径的环路面积，并增加最优解耦和输入滤波器。尽可能地抑制噪声的发生源–差模噪声是非常重要的，这也关系到降低共模噪声。

而降低共模噪声（红色）的方法有缩短布线，抑制串扰，还有切断共模路径（增加阻抗）。后续将依次对图中红色字体所示的滤波器（输入滤波器及共模滤波器）和解耦进行解说。

关键要点

▪ 要想降低差模噪声，可在电路板上缩小大电流路径的环路面积，并增加最优解耦和输入滤波器。
▪ 尽可能地抑制噪声的发生源--差模噪声是非常重要的，也关系到降低共模噪声。
▪ 要想降低共模噪声，可缩短布线，抑制串扰，切断（滤波）共模路径。

四、开关电源的输入滤波器

1. 开关电源的输入滤波器

开关电源的输入滤波器是针对共模噪声和差模噪声，分别采用适合不同噪声特性的滤波器。

2. 差模滤波器

共模滤波器采用电容器、电感、铁氧体磁珠和电阻等。图例中是使用了LC的π型滤波器。各部件对噪声具有如下作用：

• 电容器：将噪声电流旁路到GND。
• 电感：反射噪声电流。
• 铁氧体磁珠：将噪声电流的低频信号通过电感成分反射、高频信号通过电阻成分转换为热。
• 电阻：将噪声电流转换为热。

3. 共模滤波器

对于共模噪声的对策是使用共模滤波器（共模扼流圈），共模滤波器大致可以分电源线路用和信号线路用两种。在开关电源的输入端一般使用电源线路用的共模滤波器，通过提高共模电流路径的阻抗来切断路径。

关键要点

▪ 开关电源的输入滤波器，需要针对共模噪声和差模噪声分别采用不同的处理。
▪ 对共模噪声使用共模滤波器。
▪ 对差模噪声使用由电容器、电感、磁珠、电阻等部件组成的滤波器。

五、结语

综上所述，开关电源噪声的产生受到了多方面因素的影响，要想有效的对开关电源噪声进行抑制，有关工作人员应重视开关电源噪声的分析，通过多种手段的应用，从宏观到微观，全面把握开关电源的整体情况，进行有效的治理，促进开关电源的升级，提高开关电源的使用功能。