PCB電源：優(yōu)化噪聲敏感型電路的穩(wěn)壓器選擇
- 2025-06-24 09:48:00
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無(wú)論您是為音頻應(yīng)用、精密儀器還是 RF 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，合適的穩(wěn)壓器都可以成就或破壞您的項(xiàng)目。在本綜合指南中，我們將深入探討如何優(yōu)化噪聲敏感型電路的穩(wěn)壓器選擇，重點(diǎn)介紹穩(wěn)壓器降噪 PCB、音頻低噪聲穩(wěn)壓器、穩(wěn)壓器紋波抑制 SMT 以及最小化 EMI 穩(wěn)壓器。讓我們探索如何通過(guò)為像您這樣的工程師量身定制的可行技巧和技術(shù)見(jiàn)解來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的電力輸送。
為什么穩(wěn)壓器的選擇對(duì)于噪聲敏感型電路很重要
在噪聲敏感電路中，即使是電源的微小波動(dòng)也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的性能問(wèn)題。想想電源噪聲直接轉(zhuǎn)化為嗡嗡聲或失真的音頻放大器，或者紋波影響測(cè)量精度的高精度傳感器。穩(wěn)壓器是您抵御這些問(wèn)題的第一道防線。選擇合適的 PCB 并將其正確集成到您的 PCB 設(shè)計(jì)中，可確保穩(wěn)定、清潔的電力輸送。
關(guān)鍵考慮因素包括噪聲輸出、紋波抑制和電磁干擾 （EMI）。選擇不當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓器可能會(huì)引入高達(dá) 100 μV RMS 的噪聲水平或無(wú)法抑制輸入紋波，從而直接影響電路性能。在這篇文章中，我們將分解穩(wěn)壓器的類(lèi)型、規(guī)格和設(shè)計(jì)策略，以幫助您做出明智的決策。
了解穩(wěn)壓器中的噪聲：基礎(chǔ)知識(shí)
在深入研究選擇標(biāo)準(zhǔn)之前，讓我們先澄清一下“噪聲”在穩(wěn)壓器中的含義。噪聲是指穩(wěn)壓器輸出端不需要的電壓波動(dòng)，通常在特定頻率范圍（10 Hz 至 100 kHz）內(nèi)以微伏 RMS（均方根）為單位測(cè)量。對(duì)于噪聲敏感型應(yīng)用，您需要一個(gè)輸出噪聲低于 10 μV RMS 的穩(wěn)壓器，以避免干擾微弱信號(hào)。
另一方面，紋波是穩(wěn)壓器無(wú)法濾除的輸入電源中的殘余交流分量。穩(wěn)壓器抑制這種情況的能力通過(guò)其電源抑制比 （PSRR） 來(lái)量化，以分貝 （dB） 表示。音頻或精密電路通常需要 60 dB 或更高的 PSRR，以確保輸入波動(dòng)不會(huì)影響輸出。
EMI 是另一個(gè)問(wèn)題，尤其是在高頻設(shè)計(jì)中。穩(wěn)壓器，尤其是開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器，會(huì)產(chǎn)生干擾附近元件的 EMI。最小化 EMI 穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)涉及元件選擇和 PCB 布局技術(shù)，我們將在后面介紹。
用于噪聲敏感電路的穩(wěn)壓器類(lèi)型
需要考慮的穩(wěn)壓器主要有兩大類(lèi)：線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。對(duì)于噪聲敏感型應(yīng)用，每種應(yīng)用都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。讓我們來(lái)分析一下。
線性穩(wěn)壓器：低噪聲冠軍
線性穩(wěn)壓器，如低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器，通常是噪聲敏感型電路的首選。它們的工作原理是將多余的電壓以熱量的形式耗散，從而產(chǎn)生非常干凈的輸出和最小的噪聲——對(duì)于德州儀器 （TI） TPS7A47 等高性能型號(hào)，通常低于 5 μV RMS。
對(duì)于音頻應(yīng)用的低噪聲穩(wěn)壓器，LDO 因其高 PSRR（1 kHz 時(shí)高達(dá) 70 dB）和低輸出噪聲而大放異彩。然而，它們?cè)谳^高電流或大壓降下效率較低，導(dǎo)致散熱挑戰(zhàn)。如果您的設(shè)計(jì)在 3.3V 電壓下工作，輸入為 5V，并且功耗低于 500 mA，那么 LDO 是理想的選擇。
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器：效率與權(quán)衡
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器（如降壓或升壓轉(zhuǎn)換器）的效率要高得多，尤其是對(duì)于大電流或?qū)掚妷翰罘衷O(shè)計(jì)。但是，它們會(huì)引入開(kāi)關(guān)噪聲，通常在 50-100 μV RMS 范圍內(nèi)，并且由于高頻工作（通常為 100 kHz 至 2 MHz）而會(huì)產(chǎn)生顯著的 EMI。
對(duì)于噪聲敏感電路，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通常與后置穩(wěn)壓 LDO 配對(duì)，以清理輸出。這種混合方法平衡了效率和噪音，但增加了復(fù)雜性和成本。如果擔(dān)心 EMI，請(qǐng)尋找具有擴(kuò)頻調(diào)制功能的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，以減少峰值干擾。
穩(wěn)壓器選擇的主要規(guī)格
在為噪聲敏感電路選擇穩(wěn)壓器時(shí)，應(yīng)關(guān)注這些關(guān)鍵規(guī)格。了解這些將有助于您將穩(wěn)壓器與應(yīng)用需求相匹配。
輸出噪聲
如前所述，輸出噪聲至關(guān)重要。對(duì)于音頻電路或精密模擬設(shè)計(jì)，應(yīng)選擇噪聲水平低于 10 μV RMS 的穩(wěn)壓器。查看數(shù)據(jù)表，了解與您的應(yīng)用相關(guān)的整個(gè)頻段的噪聲性能。例如，音頻電路對(duì) 20 Hz 到 20 kHz 之間的噪聲最敏感。
電源抑制比 （PSRR）
對(duì)于穩(wěn)壓器紋波抑制 SMT 設(shè)計(jì)，PSRR 是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。更高的 PSRR 意味著更好的輸入紋波抑制能力。在您的工作頻率下尋找高于 60 dB 的值。例如，Analog Devices 的 LT3045 在 1 kHz 時(shí)提供 76 dB 的 PSRR，使其非常適合在表面貼裝技術(shù) （SMT） 應(yīng)用中抑制電源噪聲。
負(fù)載和線路調(diào)整率
負(fù)載調(diào)整率表示輸出電壓隨負(fù)載電流變化的變化量，而線路調(diào)整率顯示輸入電壓變化的影響。對(duì)于精密電路，負(fù)載調(diào)整率應(yīng)低于 0.1%，線路調(diào)整率應(yīng)低于 0.01%，以確保動(dòng)態(tài)條件下的穩(wěn)定性。
壓差電壓
對(duì)于 LDO，壓差（調(diào)節(jié)所需的最小輸入輸出電壓差）很重要。較低的壓差（例如，Nisshinbo NR1644 為 0.2V）允許在更接近輸出電壓的位置工作，從而提高了低壓設(shè)計(jì)的效率。
穩(wěn)壓器降噪的 PCB 布局策略
如果 PCB 布局未優(yōu)化，即使是最好的穩(wěn)壓器也可能表現(xiàn)不佳。不良的布局會(huì)引入噪聲，降低紋波抑制能力，并放大 EMI。以下是穩(wěn)壓器降噪 PCB 設(shè)計(jì)的行之有效的策略。
最大限度地減少接地回路
接地回路是 PCB 設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)噪聲源。使用實(shí)心接地層，并確保穩(wěn)壓器的接地引腳以最小的走線長(zhǎng)度直接連接到它。避免在嘈雜的數(shù)字電路和敏感的模擬部分之間共享接地路徑。如果可能，將接地層分成模擬和數(shù)字部分，將它們連接在穩(wěn)壓器附近的一個(gè)點(diǎn)上。
將去耦電容放置在靠近引腳的位置
去耦電容可過(guò)濾穩(wěn)壓器輸入和輸出端的高頻噪聲。將 0.1 μF 陶瓷電容器放置在盡可能靠近輸入和輸出引腳的位置——最好在 2 mm 以?xún)?nèi)。對(duì)于 LDO，請(qǐng)查看數(shù)據(jù)表中的推薦輸出電容器值（通常為 1-10 μF）以確保穩(wěn)定性，因?yàn)槟承┓€(wěn)壓器需要特定的電容和 ESR（等效串聯(lián)電阻）才能正常工作。
縮短冪走線
長(zhǎng)功率走線充當(dāng)天線，拾取或輻射噪聲。輸入和輸出走線的布線盡可能短和寬，以減少電阻和電感。對(duì)于 SMT 設(shè)計(jì)，請(qǐng)謹(jǐn)慎在穩(wěn)壓器附近使用過(guò)孔，以避免增加電感。
在穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中最大限度地降低 EMI
為了最大限度地降低 EMI 穩(wěn)壓器的性能，元件選擇和布局都起著重要作用。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器因其快速開(kāi)關(guān)邊沿而臭名昭著，但即使是線性穩(wěn)壓器，如果設(shè)計(jì)不仔細(xì)，也會(huì)拾取或輻射干擾。
選擇低 EMI 穩(wěn)壓器
尋找具有擴(kuò)頻調(diào)制等功能的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，該功能可以隨機(jī)化開(kāi)關(guān)頻率以降低 EMI 峰值。例如，Texas Instruments TPS54202 就具有此功能，專(zhuān)為噪聲敏感型應(yīng)用中的低 EMI 而設(shè)計(jì)。
使用屏蔽和篩選
在穩(wěn)壓器輸入端添加鐵氧體磁珠或電感器，以過(guò)濾來(lái)自電源的高頻 EMI。對(duì)于敏感設(shè)計(jì)，請(qǐng)考慮在 PCB 上使用金屬外殼或保護(hù)環(huán)來(lái)屏蔽穩(wěn)壓器區(qū)域，以遏制輻射干擾。
優(yōu)化交換節(jié)點(diǎn)布局
對(duì)于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)（電感連接的地方）是主要的 EMI 源。保持此節(jié)點(diǎn)的區(qū)域較小，并避免在附近路由敏感跟蹤。將電感和輸出電容放在靠近穩(wěn)壓器的位置，以盡量減少環(huán)路面積。
特定應(yīng)用的提示：用于音頻的低噪聲穩(wěn)壓器
音頻電路對(duì)電源噪聲特別敏感，因?yàn)樗赡鼙憩F(xiàn)為嗡嗡聲、嗡嗡聲或動(dòng)態(tài)范圍減小。為音頻選擇低噪聲穩(wěn)壓器時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮在可聽(tīng)頻率范圍（20 Hz 至 20 kHz）內(nèi)具有高 PSRR 的超低噪聲 LDO。
例如，凌力爾特的 LT3042 在 1 kHz 時(shí)提供僅 0.8 μV RMS 的噪聲水平和 79 dB 的 PSRR，非常適合為音頻前置放大器或 DAC 供電。此外，對(duì)音頻電路的模擬和數(shù)字部分使用單獨(dú)的穩(wěn)壓器，以防止數(shù)字開(kāi)關(guān)噪聲污染模擬電源。
在我設(shè)計(jì)高保真音頻板的經(jīng)驗(yàn)中，我發(fā)現(xiàn)與基本的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)置相比，將 LDO 與設(shè)計(jì)良好的接地層配對(duì)可將可聞噪聲降低 30 dB 以上。在原型設(shè)計(jì)期間，使用音頻分析儀隔離電源域和測(cè)試本底噪聲是值得的。
測(cè)試和驗(yàn)證：確保噪聲性能
選擇穩(wěn)壓器并設(shè)計(jì) PCB 后，測(cè)試至關(guān)重要。使用示波器測(cè)量典型工作條件下的輸出噪聲和紋波。將示波器設(shè)置為具有 20 MHz 帶寬限制的 AC 耦合，以避免拾取不相關(guān)的高頻噪聲。
對(duì)于 EMI，使用頻譜分析儀檢查穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)頻率（如果適用）周?chē)碾s散發(fā)射。如果噪聲或 EMI 超過(guò)可接受的水平（例如，音頻電路的 RMS 高于 10 μV RMS），請(qǐng)重新檢查您的布局或在輸入處添加額外的濾波元件，例如 pi 濾波器（電感器-電容-電感器）。
為噪聲敏感型電路優(yōu)化穩(wěn)壓器的選擇是一項(xiàng)多方面的挑戰(zhàn)，但只要有正確的知識(shí)，您就可以實(shí)現(xiàn)精確的電力輸送。專(zhuān)注于低噪聲穩(wěn)壓器（如用于音頻等應(yīng)用的 LDO），優(yōu)先考慮 PSRR 和輸出噪聲等規(guī)格，并在 PCB 布局上投入時(shí)間，以確保穩(wěn)壓器降噪 PCB 性能。對(duì)于穩(wěn)壓器紋波抑制 SMT 設(shè)計(jì)，選擇具有高 PSRR 的元件，并遵循去耦的最佳實(shí)踐。最后，通過(guò)周到的布局和 EMI 感知元件選擇來(lái)解決最大限度地減少 EMI 穩(wěn)壓器問(wèn)題。
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