DC/DC開關(guān)電源中接地反彈的詳解

作者：袁韶庚

電路接地在電路原理圖中看起來很簡單，但是，電路的實際性能是由其印制電路板（PCB）布局決定的。如果很好地理解“接地“引起的接地噪聲的物理本質(zhì)可提供一種減小接地噪聲問題的直觀認識。

接地反彈（Ground bounce）簡稱地彈會產(chǎn)生幅度為幾伏的瞬態(tài)電壓；最常見的是由磁通量變化引起的。傳輸電流的導(dǎo)線環(huán)路實際上構(gòu)成了一個磁場，其磁場強度與電流成正比。磁通量與穿過環(huán)路面積和磁場強度乘積成正比。

磁通量∝磁場強度×環(huán)路面積

更精確的表示是：ΦB = BA cosφ

其中磁通量ΦB等于磁場強度B乘以穿過環(huán)路平面A和磁場方向與環(huán)路平面單位矢量夾角φ的余弦。

圖1示出了磁通量與電流之間的關(guān)系。一個電壓源驅(qū)動電流克服電阻沿導(dǎo)線環(huán)路流動。電流與環(huán)繞導(dǎo)線的磁通量相關(guān)聯(lián)。為了將不同的物理量聯(lián)系起來，可以考慮用你的右手握住導(dǎo)線（應(yīng)用右手定則如果你的拇指指向電流的方向，那么你的其它手指將沿磁場磁力線方向環(huán)繞導(dǎo)線。因為那些磁力線穿過環(huán)路，所以形成了磁通量，在本例中磁通量方向為穿入頁面。

改變磁場強度或環(huán)路面積都會引起磁通量變化。當磁通量變化時，在導(dǎo)線中產(chǎn)生與磁通量變化率dΦB/d t成正比的電壓。應(yīng)該注意的是，當環(huán)路面積固定，電流變化；或者電流恒定，環(huán)路面積變化；或者兩種情況同時變化——都會改變磁通量。

例如，假設(shè)圖2中的開關(guān)突然斷開。當電流停止流動時，磁通量消失，這會沿導(dǎo)線各處產(chǎn)生一個瞬態(tài)大電壓。如果導(dǎo)線的一部分是一個接地返回引腳，那么以地電平為參考端的電壓會產(chǎn)生一個尖峰，從而在任何使用該引腳為接地參考端的電路中都會產(chǎn)生錯誤信號。

通常，PCB印制線電阻上的電壓降不是接地反彈的主要來源。1 盎司（oz）銅的電阻為500 微歐/方數(shù)（μΩ/□），因此1 A電流變化只能產(chǎn)生500 μV/□的反彈電壓——問題只存在于采用細長印制線或菊花鏈式接地或精密電子電路。

寄生電容器的充電和放電為瞬態(tài)大電流返回到地提供了一條路徑。由于電流變化引起的磁通量變化也引起接地反彈。

在DC/DC開關(guān)電源中減少接地反彈的最好方法就是控制磁通量變化——使電流環(huán)路面積和環(huán)路面積變化最小。

在某些情況下，例如圖3所示，電流保持恒定，而開關(guān)切換引起環(huán)路面積變化，因此產(chǎn)生磁通量的變化。在開關(guān)狀態(tài)1中，一個理想的電壓源通過理想導(dǎo)線與一個理想電流源相連。電流在一個包含接地回路的環(huán)路中流動。

在開關(guān)狀態(tài)2中，當開關(guān)改變位置時，同樣的電流在不同的路徑中流動。電流源為直流（DC），且并沒有變化，但環(huán)路面子發(fā)生了變化。環(huán)路面積的變化意味著磁通量的變化，所以產(chǎn)生了電壓。因為接地回路為變化環(huán)路的一部分，所以它會產(chǎn)生反彈電壓。

接地反彈電壓主要是由于磁通量變化引起的。在DC/DC開關(guān)電源中，磁通量變化是由于在不同的電流環(huán)路面積之間高速切換DC電流引起的。

一個合理的布線應(yīng)該將真正的地放在連接負載的底層，不會引起環(huán)路面積的變化或電流的變化。任何其它與導(dǎo)通相關(guān)的點都可以稱為“地”，但它只是沿著返回路徑的一點而已。