通过设计合适的输入滤波器减小DCDC转换器的传导噪声-第一部分

1. 前言

高开关频率是在电源转换技术发展过程中促进尺寸减小的主要因素。为了符合相关法规，通常需要采用电磁干扰 （EMI） 滤波器，而该滤波器通常在系统总体尺寸和体积中占据很大一部分，因此了解高频转换器的 EMI 特性至关重要。

DC/DC 转换器通过电源线进行传导噪声的传播。很多 DC/DC 转换器 IC 带有扩频功能，可以减小噪声滤波器的器件尺寸和降低 BOM 成本。为了将传 导噪声水平降低到可以接收的水平，需要使用输入滤波器。本应文就DC/DC 转换器的输入滤波器的设计和注意事项进行了说明。

2. 产生传导噪声的原因

工程师非常熟悉开关电源的高效率会带来小体积和重量轻的优点，但许多人也深受电噪声的困扰。然而，先进的设计会选择使用低噪声的器件和拓扑来改进噪声，例如谐振拓扑。“频率抖动”之类的技术也有助于降低测量带宽中的电磁辐射。开关电源中的噪声来源于半导体的快速切换，通常想获得高效率，开关波形上升和下降的时间是以纳秒为单位的，高的dV/dt和di/dt电平不能完全被开关电源所抑制，就有可能在输入或输出线上呈现出传导的电压或电流尖峰噪声。根据傅里叶分析，一般开关波形的电磁辐射分析如图1所示，随着上升/下降时间Tr, Tf减小，辐射带宽也随之增加，而增加的幅度则受到Ton/Tp [1]波形占空的影响。

DC/DC 转换器的输入电流会根据 DC/DC 转换器的开关频率进行 周期性的变化。在输入电容器的等效串联电阻（ESR）上，由于 交流的输入电流会产生纹波电压。该纹波电压的振幅，本质上取 决于所使用电容器的 ESR。 电解电容和高分子电容的 ESR 范围从几个毫欧姆到几个欧姆， 相对来说阻值较大。因此，当使用上述种类的电容器时，纹波电压的振幅也会变大。与此相对的，多层陶瓷电容（MLCC）的 ESR 只有几个毫欧姆，非常得小，因此纹波电压也只有几个 mV。 可以使用示波器的时域分析功能，对 DC/DC 转换器的输入 AC 波 形进行分析。 这样，在 DC/DC 转换器的设计阶段，能够比较容易地实现干扰

频谱的测量，给传导噪声/EMC 问题提供了一个简单的评估方法。

3. 噪音类型

传导噪声有差分模式（DM）和共模（CM）两种类型，它们通常在某种程度上同时存在。DM噪声为电力线回路之间测得的电压。CM噪声为电源线和系统接地之间测得，通常为定义阻抗的电压。这是因为功率转换器通常是高频CM噪声的电流源。

DM 传导噪声

DM 噪声电流 （IDM） 由转换器固有开关动作产生，并在正负电源线 L1 和 L2 中以相反方向流动。DM 传导发射为“电流驱动型”，与开关电流 （di/dt）、磁场和低阻抗相关。DM 噪声通常在较小的回路区域流动，返回路径封闭且紧凑。

例如，在连续导通模式 （CCM） 下，降压转换器会产生一种梯形电流，且这种电流中谐波比较多。这些谐波在电源线上会表现为噪声。降压转换器的输入电容（图 1 中的 CIN）有助于滤除这些高阶电流谐波，但由于电容的非理想寄生特性（等效串联电感 （ESL） 和等效串联电阻 （ESR）），有些谐波难免会以 DM 噪声形式出现在电源电流中，即使在添加实用的 EMI 输入滤波器级之后也于事无补。

CM 传导噪声

另一方面，CM 噪声电流 （ICM） 会流入接地 GND 线并通过 L1 和 L2 电源线返回。CM 传导发射为“电压驱动型”，与高转换率电压 （dv/dt）、电场和高阻抗相关。在非隔离式 DC/DC 开关转换器中，由于 SW 节点处的 dv/dt 较高，产生了 CM 噪声，从而导致产生位移电流。该电流通过与 MOSFET 外壳、散热器和 SW 节点走线相关的寄生电容耦合到 GND 系统。与转换器输入或输出端的接线较长相关的耦合电容也可能构成 CM 噪声路径。

下一章介绍如何设计滤波器。