ROHM课堂 | 什么是开关噪声?开关电源中产生的噪声及其对策

发布时间：2026-01-28 13:41
作者：AMEYA360
来源：ROHM
阅读量：1305

　　开关噪声是由电流突然通断(ON/OFF)切换引发的高频振铃，尤其常见于开关电源及高速工作的半导体器件中。这类噪声虽可通过优化电路板布线实现降噪，但针对泄漏的辐射噪声，需采取专门的应对措施。此外，平行布线之间会产生串扰，进而引发感应噪声。本文将以DC-DC转换器为例，由ROHM为您详细阐述开关噪声的产生原理、电子电路设计中开关噪声对电磁兼容性(EMC)等方面的影响，以及针对这些问题的有效解决方案。

　　什么是开关噪声?

　　开关噪声是电子电路及电源IC(集成电路)工作过程中，由不必要的电流波动引发的高频振铃。这类噪声常见于DC-DC转换器、AC-DC转换器等高速运行的半导体器件中。开关噪声可能降低电路稳定性，还可能引发电磁兼容性(EMC)中的电磁干扰(EMI)相关问题。

　　开关噪声的产生原因

　　开关噪声的常见原因是由开关电源等可高速通断的半导体器件工作所导致。由此会产生急剧的电流或电压变化，进而引发纹波与噪声。

　　噪声对策(噪声消除与降低)

　　针对开关噪声的降低与消除，可采取以下几项对策：

　　1. 使用滤波器：通过低通滤波器或高通滤波器，去除不必要的频率成分。

　　2. 配置电容器：在电路的关键位置配置电容器，吸收电压波动。

　　3. 电路板布局的噪声对策：尽量缩短布线长度，通过优化布局降低开关噪声(传导噪声)。

　　4. 缓冲电路：使用缓冲电路吸收振铃，从而可以降低开关噪声(辐射噪声)。

　　5. 自举电路的噪声对策：插入电阻，能够降低开关噪声(辐射噪声)。

　　噪声对策的重要性

　　通过采取有效的开关噪声对策，电路的工作会更加稳定，性能也能得到提升。尤其在高精度电子设备及工业领域的应用中，开关噪声对策更是必不可少的。

　　本文后续将以DC-DC转换器为例，详细讲解所产生的共模噪声和差模噪声的相关原因及对策，此外还会深入说明串扰的定义、以及缓冲电路等的辐射噪声应对方法。理解这一系列内容后，便能实施更高级别的噪声对策。

　　DC-DC转换器中开关噪声的产生原理

　　开关噪声的产生原因，是电子电路或电源IC工作过程中出现的不必要电流波动，进而引发高频振铃。下面将以DC-DC转换器为例，对开关噪声进行说明。

　　首先，我们将借助同步整流型降压DC-DC转换器的等效电路，确认开关电流的路径。

ROHM课堂 | 什么是开关噪声?开关电源中产生的噪声及其对策

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　　在上一篇文章中，我们了解了传统的MOSFET驱动方法，这也是了解主题中的驱动器源极引脚效果的前提。在本文中，我们将一起了解有驱动器源极引脚的实际封装、具有驱动器源极引脚的MOSFET的工作情况和驱动器源极引脚的效果。　　有驱动器源极引脚的封装　　目前，ROHM有驱动器源极引脚的封装包括TO-247-4L和TO-263-7L两种　　作为参考，在这里给出了每种封装的外形尺寸和结构。　　TO-247-4L封装　　　　TO-263-7L封装　　有无驱动器源极引脚的差异及其效果　　左下图是以往MOSFET的驱动电路，右下图是具有驱动器源极引脚的MOSFET的驱动电路。不同的是驱动电路的回流线的连接方式，以往MOSFET是连接到源极(Source)引脚，而具有驱动器源极引脚的MOSFET是连接到驱动器源极引脚(Driver Source)引脚，其源极是一个单独的电源(Power Source)引脚。此外，每个蓝色箭头表示开关工作中的电压。　　　　如蓝色箭头所示，两者在开关工作中的电压是相同的。再次提一下，MOSFET被施加VG并导通后，ID增加，LSOURCE沿图中(I)的方向产生VLSOURCE。由于电流IG流入栅极引脚，因RG_EXT产生压降VRG_EXT(I)。　　如上所述，两者产生的电压是一样的，但在以往MOSFET的情况下，VLSOURCE和VRG_EXT(I)被包含在导通时的驱动电路网中，因此MOSFET的导通工作所需的芯片上的电压VGS_INT会减少，最终导致导通速度降低。而在具有驱动器源极引脚的情况下，ID会流向电源(Power Source)引脚，不流向驱动器源极(Driver Source)引脚，这部分不包含在驱动电路网中，因此可以消除VLSOURCE对VGS_INT的影响。　　如果具备驱动器源极引脚，则可以去掉项(=VLSOURCE)，可以看出这部分电压不会影响VGS_INT。这就是驱动器源极引脚的效果，可以提高导通速度。
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　　本文将详细介绍SiC MOSFET在LS导通时的动作情况和LS关断时的动作情况。　　SiC MOSFET低边开关导通时的Gate-Source间电压的动作　　当SiC MOSFET的LS导通时，首先ID会变化(下述波形示意图T1)。此时LS的ID沿增加方向、HS的ID沿减少方向流动，受下述等效电路图中所示的事件(I)影响，在图中所示的极性产生公式(1)的电动势。公式(1)与上一篇文章中使用的公式相同。该电动势引起的电流将源极侧作为正极对CGS进行充电，因此在LS会将VGS向下推，在HS会将VGS向负极侧拉，使之产生负浪涌(波形示意图VGS的T1)。　　当ID的变化结束时，LS的VDS的电位降低(波形示意图T2)。所以，公式(2)中的电流就像等效电路图中的(II)-1、(II)-2那样流动，并且VGS会分别引发下列公式(3)、(4)中的电压上升。　　VDS刚刚开始变化后，公式(3)的VGS上升为主，随着时间的推移，公式(4)的VGS也开始上升。也就是说，MOSFET的CGD/CGS比、驱动电路的RG_EXT、栅极驱动信号图形布线的电感值LTRACE具有很大影响。　　如等效电路图所示，HS中的(II)-2的电流ICGD2处于VGS提升方向。因此，本来应该处于OFF状态的HS因VGS的提升而开始了导通工作。这种现象称为“误启动”。当HS发生误启动时，就会与LS的导通工作重叠，致使HS和LS的MOSFET同时导通，从而引发直通电流。　　ICGD2会持续流动到LS的导通工作结束，并被积蓄在LTRACE中，但会在VSW变化结束的时间点消失，LTRACE产生电动势。这就是事件(III)。受RG_EXT等开关条件影响，ICGD2可能会达到几安培，并且该电动势可能会增加。　　受上述事件(I)、(II)、(III)的影响，LS导通后的Gate-Source电压呈现出波形示意图中所示的动作。波形示意图和等效电路图的相同编号表示同一事件。另外，图中VGS的虚线波形表示理想的波形。　　外置栅极电阻的影响　　下面是SiC MOSFET桥式结构的LS导通时的双脉冲测试结果。(a)波形图的外置栅极电阻RG_EXT为0Ω，(b)为10Ω。图中的(I)、(II)、(III)同前面相应编号的事件。　　VDS刚刚开始变化后，公式(3)的VGS上升为主，随着时间的推移，公式(4)的VGS也开始上升。也就是说，MOSFET的CGD/CGS比、驱动电路的RG_EXT、栅极驱动信号图形布线的电感值LTRACE具有很大影响。　　如等效电路图所示，HS中的(II)-2的电流ICGD2处于VGS提升方向。因此，本来应该处于OFF状态的HS因VGS的提升而开始了导通工作。这种现象称为“误启动”。当HS发生误启动时，就会与LS的导通工作重叠，致使HS和LS的MOSFET同时导通，从而引发直通电流。　　ICGD2会持续流动到LS的导通工作结束，并被积蓄在LTRACE中，但会在VSW变化结束的时间点消失，LTRACE产生电动势。这就是事件(III)。受RG_EXT等开关条件影响，ICGD2可能会达到几安培，并且该电动势可能会增加。　　受上述事件(I)、(II)、(III)的影响，LS导通后的Gate-Source电压呈现出波形示意图中所示的动作。波形示意图和等效电路图的相同编号表示同一事件。另外，图中VGS的虚线波形表示理想的波形。　　外置栅极电阻的影响　　下面是SiC MOSFET桥式结构的LS导通时的双脉冲测试结果。(a)波形图的外置栅极电阻RG_EXT为0Ω，(b)为10Ω。图中的(I)、(II)、(III)同前面相应编号的事件。　　dVDS/dt带来的LS的VGS上升和HS的VGS负浪涌(波形示意图T4)是事件(IV)。　　波形示意图的T4周期结束时，公式(1)所示的ICGD1消失时发生的浪涌是事件(V)。公式(1)与之前使用的公式相同。　　然后，漏极电流发生变化(波形示意图T6)，并发生公式(2)所示的LSOURCE引起的电动势，电流如等效电路的事件(VI)中所示流动。公式(2)也与之前使用的公式相同。　　可以看出的动作是，由于该电流以源极侧为负极向MOSFET的CGS充电，因此在HS侧将VGS推高，在LS侧将VGS向正极侧拉升，以防止VGS下降。结果就产生了波形示意图所示的VGS动作。波形示意图中VGS的虚线表示理想的电压波形。　　外置栅极电阻的影响　　下面是SiC MOSFET桥式结构的LS关断时的双脉冲测试结果。(a)波形图的外置栅极电阻RG_EXT为0Ω时，(b)为10Ω。图中的(IV)、(V)、(VI)即前面提到的事件。　　如波形图所示，可以看到事件(V)的浪涌非常明显。　　尽管由VDS的变化引起的事件(IV)的影响很小，但由于HS中事件(IV)引起的负浪涌常常会超过额定值，在这种情况下，就需要对电路采取相应的措施。要想减少这种关断时的HS负浪涌，需要减小HS栅极电阻RG_EXT。然而，需要注意的是，在前文介绍过的常用栅极电阻调节电路中，事件(IV)在电阻值高的RG_ON侧较为突出。　　关于由事件(VI)引起的VGS抬升，由于该时刻正好在关断(Turn-off)结束之前，所以即使HS进入导通(Turn-on)动作，SiC MOSFET桥式结构的LS也已经被关断，几乎不会造成什么问题。
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