什麼是開關雜訊？開關電源中產生的雜訊及其對策

目錄

• ・什麼是開關雜訊？
• ・DC-DC轉換器中開關雜訊的產生原理
• ・差模雜訊與共模雜訊：原因及對策
• ・串擾（平行佈線間產生的感應雜訊）
• ・電容的抑制開關雜訊對策
• ・輻射雜訊（雜訊電場強度）的抑制對策
• ・總結：開關雜訊對策與電路板佈局的重要性

開關雜訊是由電流突然通斷（ON/OFF）切換引發的高頻振鈴，尤其常見於開關電源及高速工作的半導體元件中。這類雜訊雖可透過優化電路板佈線實現降噪，但針對洩漏的輻射雜訊，需採取專門的應對措施。此外，平行佈線之間會產生串擾，進而引發感應雜訊。本文以DC-DC轉換器為例，詳細闡述開關雜訊的產生原理、電子電路設計中開關雜訊對電磁相容性（EMC）等方面的影響，以及針對這些問題的有效解決方案。

什麼是開關雜訊？

開關雜訊是電子電路及電源IC（積體電路）工作過程中，由不必要的電流波動引發的高頻振鈴。這類雜訊常見於DC-DC轉換器、AC-DC轉換器等高速運行的半導體元件中。開關雜訊可能降低電路穩定性，還可能引發電磁相容性（EMC）中的電磁干擾（EMI）相關問題。

開關雜訊的產生原因

開關雜訊的常見原因是由開關電源等可高速通斷的半導體元件工作所導致。由此會產生急遽的電流或電壓變化，進而引發紋波與雜訊。

雜訊對策（雜訊消除與降低）

針對開關雜訊的降低與消除，可採取以下幾項對策：

• 1. 使用濾波器：透過低通濾波器或高通濾波器，去除不必要的頻率成分。
• 2. 配置電容：在電路的關鍵位置配置電容，吸收電壓波動。
• 3. 電路板佈局的雜訊對策：儘量縮短佈線長度，透過優化佈局降低開關雜訊（傳導雜訊）。
• 4. 緩衝電路：使用緩衝電路吸收振鈴，從而可以降低開關雜訊（輻射雜訊）。
• 5. 自舉電路的雜訊對策：插入電阻，能夠降低開關雜訊（輻射雜訊）。

雜訊對策的重要性

透過採取有效的開關雜訊對策，電路的工作會更加穩定，性能也能得到提升。尤其在高精度電子設備及工業領域的應用中，開關雜訊對策更是必不可少的。

本文後續將以DC-DC轉換器為例，詳細講解所產生的共模雜訊和差模雜訊的相關原因及對策，此外還會深入說明串擾的定義、以及緩衝電路等的輻射雜訊應對方法。理解這一系列內容後，便能實施更高級別的雜訊對策。

DC-DC轉換器中開關雜訊的產生原理

開關雜訊的產生原因，是電子電路或電源IC工作過程中出現的不必要電流波動，進而引發高頻振鈴。下面將以DC-DC轉換器為例，對開關雜訊進行說明。
首先，我們將借助同步整流型降壓DC-DC轉換器的等效電路，確認開關電流的路徑。

設高側開關為SW1，低側開關為SW2。當SW1導通（SW2斷開）時，電流路徑為：輸入電容→SW1→電感L→輸出電容。當SW2導通（SW1斷開）時，電流路徑為：SW2→電感L→輸出電容。下圖展示了這兩種電流路徑的差異，每次開關導通/斷開（ON/OFF）時，紅色線路中的電流發生劇烈變化。由於該電路的電流變化十分陡峭，電路板佈線的電感會在電路內引發高頻振鈴。

下圖展示了電源電路的外接元件及實裝電路板的寄生分量與振鈴之間的關係。

上圖中，電流急遽變化的電路裡，用紅色標注了寄生分量。
佈線存在佈線電感，通常每1mm約有1nH的電感量。此外電容存在等效串聯電感（ESL），MOSFET 的各引腳間則存在寄生電容。受這些因素影響，開關節點會產生紅框圖示所示100MHz至300MHz的振鈴。產生的電流與電壓可透過以下兩個公式計算得出：

\(I = C \times \frac{dV}{dt}, \quad V = L \times \frac{dI}{dt}\)

這種振鈴會以高頻開關雜訊的形式產生多種影響。雖然需要採取應對措施，但由於電源IC本身無法去除電路板的寄生分量，因此需透過電路板佈線佈局及去耦電容來應對。關於電路板佈局，在DC-DC轉換器的“電路板佈局”章節會展開詳細說明。

關於“差模雜訊與共模雜訊”“串擾”，後續將進行說明。
關於“共模濾波器”，請參閱本連結的內容。

差模雜訊與共模雜訊：原因及對策

開關雜訊所屬的電磁干擾（EMI）主要分為“傳導雜訊”和“輻射雜訊”兩大類。
傳導雜訊可進一步分為兩類：一類是“差模雜訊”，又稱“常模雜訊”。這兩種稱呼有時可根據條件區分使用，但本文中將二者視為同一概念。另一類是“共模雜訊”。下面結合圖示進行說明。由於本文圍繞電源相關內容展開，因此圖示以“將帶有電路的印刷電路板（PCB）裝入外殼，並由外部供電”為例。
需特別注意的是，即使在相同條件下，共模雜訊引發的輻射強度也遠大幅高於差模雜訊。

差模（常模）雜訊與共模雜訊

差模雜訊是指雜訊源串聯於電源線路中，雜訊電流與電源電流流向一致，且產生於電源線路之間的雜訊。由於往返方向相反，故稱為“差模（Differential mode）”。

共模雜訊是指透過雜散電容等洩漏的雜訊電流，經由大地回流至電源線路的雜訊。由於電源正極（＋）與負極（－）側的雜訊電流流向相同，因此被稱為“共模（Common mode）”雜訊。這類雜訊不會在電源線路之間產生雜訊電壓。

如前所述，這些開關雜訊屬於傳導雜訊。但由於雜訊電流會在電源線路中流動，因此會產生雜訊輻射。

由差模雜訊引起的輻射的電場強度Ed可透過左下方的公式來表示。Id為差模中的雜訊電流，r為到觀測點的距離，f為雜訊頻率。差模雜訊會產生雜訊電流環，因此環路面積S是非常重要的因素。如圖和公式所示，假設其他因素固定，環路面積越大則電場強度越高。

由共模雜訊引起的輻射的電場強度Ec可透過右下方的公式來表示。如圖和公式所示，線纜長度L是非常重要的因素。

這裡為了確認各類雜訊引發輻射的特徵，我們嘗試代入實際數值計算電場強度（*1）。所有條件保持完全一致，電場強度的觀測點用藍色圓點來表示。
*1：公式出處——《EMC工學詳解 實用降噪技法》，作者：亨利・W・奧特（Henry W. Ott），東京電機大學出版社

差模雜訊的電場強度計算

假設頻率100MHz、1μA的差模雜訊電流，在面積為20cm²的電路中流動。
則在距離1m處（90度方向）的電場強度計算如下：

\(E_d = 1.316 \times 10^{-14} \times \frac{Id \cdot f^2 \cdot S}{r}\)
\( = 1.316 \times 10^{-14} \times \frac{1\mu A \cdot (100MHz)^2 \cdot (0.2 \times 0.01)}{1}\)
\( = 0.26 \, \mu \text{V/m}\)

共模雜訊的電場強度計算

假設頻率100MHz、1μA的共模雜訊電流，在20cm的線纜中流動。
則在距離1m處（90度方向）的電場強度計算如下：

\(E_d = 1.257 \times 10^{-6} \times \frac{IC \cdot f^2 \cdot L}{r}\)
\( = 1.257 \times 10^{-6} \times \frac{1\mu A \cdot 100MHz \cdot 0.2}{1}\)
\( = 25.1 \, \mu \text{V/m}\)

該計算結果的核心要點是：即便雜訊電流值相同，共模雜訊引發的輻射也遠比差模雜訊強烈（本示例中約為100倍）。無論如何，若這些傳導雜訊與輻射雜訊（即電磁干擾EMI）超出允許範圍，就必須採取雜訊對策。尤其需要注意的是，在考慮輻射雜訊對策時，針對共模雜訊的防控尤為關鍵。

關於具體對策，後續將按順序逐步說明。其中最基礎的原則性對策如下：對於差模雜訊，需減小電路面積S（例如將線纜改為絞合線），對於共模雜訊，則應儘量縮短線纜長度。但實際應用中，往往會受到安裝佈局或材料等因素的限制，因此需考慮增設濾波器等解決方案。

本節核心目標是讓讀者先理解雜訊的種類與基本特性。

什麼是EMC？

“EMC（電磁相容性）”是什麼？關於其與“EMI（電磁干擾）”“EMS（電磁敏感性）”的含義區別及使用場景差異，下文進行了詳細說明。
https://techweb.rohm.com.tw/product/circuit-design/nowisee/6347/

串擾（平行佈線間產生的感應雜訊）

串擾指的是在平行佈置的佈線之間，訊號或雜訊非預期相互傳遞的現象。這一問題在模擬通訊及音訊領域也被稱為“漏話”，尤其在類比電話中曾是極為常見的問題。此外該現象還可稱為“混線”或“串音干擾”。

這種不必要的訊號傳遞，是由佈線間存在的雜散（寄生）電容及互感引起的。比如說在印刷電路板（PCB）的薄膜佈線等場景中尤為顯著。此類場景下的訊號傳遞通常被歸為“感應雜訊”。

串擾現象的根本原因有兩點：一是雜散（寄生）電容導致的靜電耦合，二是互感引發的電磁耦合。本文將詳細講解這些成因機制、具體應對方法，以及為幫助理解而簡化的等效電路。

兩種情況均給出了雜訊電壓Vn的公式。該電壓在雜訊源佈線（佈線1）向鄰近佈線（佈線2）耦合時產生。R為電阻值、C為電容值、M為互感係數、Vs為雜訊源電壓、Is為雜訊源電流。

需明確的是平行佈線之間會產生串擾。此外當佈線相互垂直時，寄生電容及互感會顯著減小。

電容的抑制開關雜訊對策

在對開關雜訊的基本理解逐步加深後，接下來我們詳細學習實際的雜訊對策。其中電容在雜訊抑制中是非常重要的元件。

在“使用電容的開關雜訊對策”中，詳細介紹了電容的阻抗特性，以及ESR、ESL等參數對雜訊的影響機制。此外還介紹了去耦電容的有效使用方法，以及針對高頻雜訊抑制的特殊注意事項。

感興趣的讀者，歡迎前往“使用電容的開關雜訊對策”頁面進一步瞭解。該頁面涵蓋了大量實用知識，能説明您在開關電源的雜訊對策上更進一步，為設計更高性能的電子電路提供支援。

前往“使用電容的雜訊對策”頁面

輻射雜訊（雜訊電場強度）的抑制對策

什麼是輻射雜訊（雜訊電場強度）？

在DC-DC轉換器的開關雜訊抑制中，輻射雜訊（雜訊電場強度）是另一項必須考慮的關鍵內容。輻射雜訊由開關導通與關斷波形的上升沿/下降沿斜率及振鈴引起，其頻率頻寬約為100MHz～300MHz。

開關電源電壓上升沿與下降沿的振鈴，主要由MOSFET與輸入電容之間的佈線電感導致。透過優化輸入電容的佈局涉及與佈線方式，可有效降低此類雜訊。

透過增設緩衝電路的開關雜訊對策

當DC-DC轉換器電路的輻射雜訊超出設備必須滿足的合規標準時，可採取平緩開關波形和增設緩衝電路的方法。

增設緩衝電路是降低開關雜訊中廣泛應用的方法。針對開關節點的雜訊降低，需在輸出端配置緩衝電路；而針對輸入端雜訊，則需在輸入端增設緩衝電路。本示例中，透過在開關節點與接地端之間增設電阻與電容，利用電阻消耗開關振鈴產生的高頻能量，從而實現振鈴抑制效果。

但是增設緩衝電路會產生額外損耗。若為提升抑制效果而增大電容容量，電阻需滿足相應的功率耐受要求。以下是緩衝電路損耗的計算公式及示例。

緩衝電阻10Ω、煥榮電容1000pF、輸入電壓12V、振盪頻率1MHz時的電阻允許損耗：
緩衝損耗P = C × V²× fSW
1000pF × 12² × 1MHz ＝ 0.144W
*電阻額定功率需選用MCR18（3216）系列：0.25W及以上規格

自舉電路的雜訊對策
開關雜訊的另一個對策是“平緩開關波形的方法”。

採用Nch MOSFET作為高側開關的IC，大多配置有BOOT引腳。由於該引腳與開關節點相連，透過在引腳處插入電阻，可平緩高側MOSFET導通時的電壓上升沿，進而抑制開關雜訊。

總結：開關雜訊對策與電路板佈局的重要性

本頁面詳細闡述了開關雜訊的相關細節，以及DC-DC轉換器中開關雜訊抑制對策的核心要點。其中關鍵原則是“儘量縮短佈線長度”，這一措施對降低開關雜訊具有顯著作用。

若設計的電路及選定的元件本身無問題，但實際使用中未能達到預期性能，甚至出現無法正常工作的極端情況，此時應優先檢查電路板佈局。此類問題在工程實踐中並不少見，需特別注意。

為大幅減少二次設計，提升包含電路板設計在內的整體設計品質至關重要。在佈局設計中充分考量開關雜訊的要點，是確保設計成功的關鍵所在。