解決開(kāi)關(guān)模式DC-DC轉換器的噪聲和空間問(wèn)題的PowerSoC

引言

轉換效率促使FPGA系統設計師從線(xiàn)性穩壓器轉向使用開(kāi)關(guān)模式直流-直流轉換器。雖然開(kāi)關(guān)模式直流-直流轉換器能夠顯著(zhù)提高效率，但卻需要更復雜的結構設計，更多的部件數量和更大的覆蓋區;更為明顯的是，對高速輸入/輸出單元來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)模式直流-直流轉換器就等于噪聲源。

本文描述了開(kāi)關(guān)模式直流-直流轉換器的各種噪聲分量，同時(shí)說(shuō)明PowerSoC如何將各分量降至最低。本文也進(jìn)一步用設計示例來(lái)說(shuō)明PowerSoC如何令高速輸入/輸出單元具有與線(xiàn)性穩壓器媲美，甚至更優(yōu)越的性能。

降壓型直流-直流轉換器簡(jiǎn)單模型

一對MOSFET開(kāi)關(guān)、電感器，以及輸入和輸出濾波電容即可組成一個(gè)簡(jiǎn)易的同步開(kāi)關(guān)模式直流-直流轉換器模型。圖1為轉換周期中的轉換器及其相關(guān)的直流和交流電流通路。當SW1 閉合時(shí)(SW2開(kāi)啟)，電流從電源流經(jīng)電感器到達負載，輸入和輸出濾波電容實(shí)現高頻交流電流的分流.當SW2閉合時(shí)(SW1開(kāi)啟)，電感器儲存的電能在轉換周期的后半段為負載提供電流。開(kāi)啟和閉合開(kāi)關(guān)的動(dòng)作以及高頻交流電流的流動(dòng)都會(huì )產(chǎn)生噪聲。

直流-直流噪聲關(guān)鍵分量和降噪策略

降壓型直流-直流轉換器有效地將直流電壓分成交流電壓，然后轉換回到偽直流電壓。此過(guò)程產(chǎn)生了四種不同的噪聲：1) 轉換器直流輸出側的紋波電壓，2) 轉換器輸入電源側的紋波電壓，3) 輻射性電磁干擾，和4)傳導性電磁干擾。

輸出電壓紋波

每個(gè)被動(dòng)元件除了本身的基本功能(電阻、電容、電感)外，還具有另外兩個(gè)寄生元素：如果是電容，即為等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和等效串聯(lián)電感 (ESL);如果是電阻，則是等效串聯(lián)電感和等效并聯(lián)電容。

輸出紋波是交流紋波電流分流或流經(jīng)輸出濾波電容時(shí)的副產(chǎn)物。圖2展示了小型的輸出濾波電容信號模型，和該模型各成分對輸出紋波波形的作用。請注意輸出濾波電容的ESL是由PCB引線(xiàn)的寄生電感和轉換器的內部寄生電感結合形成。ESL通過(guò)感應振動(dòng)產(chǎn)生高頻尖峰信號。

大多數直流-直流轉換器供應商的數據表顯示了低通濾波紋波的波形，因此通常無(wú)法穩定指示給定應用情況中PCB上測量得到的實(shí)際紋波。

降噪策略

基本而言，要降低輸出紋波可通過(guò)減小紋波電流和 / 或降低電容器 的ESR和ESL以及PCB引線(xiàn)的ESL.

●在開(kāi)關(guān)頻率較高的一側操作將降低給定電感值的紋波電流，從而可以使用較小且ESR/ESL較低的陶瓷電容。但開(kāi)關(guān)頻率的升高會(huì )增加MOSFET開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗，并影響效率。

●將多個(gè)電容并聯(lián)可降低ESR/ESL,就如將電阻并聯(lián)以降低其合成電阻一樣。隨著(zhù)電容個(gè)數增加，PCB ESL增加，其效果受到限制，并且將增加轉換器的消耗。

●使用小尺寸的濾波元件(電感器和電容)可以減少PCB的長(cháng)度，從而降低PCB ESL.可惜小尺寸的電感器通常會(huì )導致紋波電流較大，但不增加開(kāi)關(guān)頻率。

●使用兩級濾波，例如在直流-直流輸出濾波段和目標負載之間使用鐵氧體磁珠和電容。這種方法的缺點(diǎn)在于額外的致?lián)p耗元件將影響調壓效果，并可能降低效率。

輸入電壓紋波

隨著(zhù)SW1 MOSFET打開(kāi)和閉合，電流從電源(VIN)流出，形成近似矩形的脈沖波形。上升和下降時(shí)間非?？?，大約幾毫微秒。

與由輸出濾波電容和PCB引線(xiàn)ESL產(chǎn)生的輸出紋波相似，輸入濾波電容ESR和ESL,以及電源PCB引線(xiàn)ESL產(chǎn)生輸入紋波。然而，隨著(zhù)電流時(shí)間比(di/dt)的變化增大，輸入電流紋波幅度要大的多。因此，PCB電感的影響更為重要，而輸入濾波電容必須耐受更高的RMS電流。又大又快的開(kāi)關(guān)電流也是傳導性和輻射性EMI(稍后將探討)的主要來(lái)源。

降噪策略

●與輸出濾波電容一樣，在開(kāi)關(guān)頻率較高的一側操作將可以使用較小且ESR/ESL較低的陶瓷輸入濾波電容。同樣應注意開(kāi)關(guān)損耗將變大。

●將輸入濾波回路中的寄生電感降至最低。這主要通過(guò)將濾波電容盡可能靠近直流-直流轉換器，以及盡可能短且寬的PCB引線(xiàn)來(lái)實(shí)現。通常不得將輸入濾波電容安裝在PCB的對邊且通過(guò)vias與直流-直流轉換器連接，否則會(huì )將大量電感引入電流回路中。

輻射性EMI

●又大又快的開(kāi)關(guān)電流流經(jīng)輸入交流電流回路會(huì )產(chǎn)生輻射性EMI.如電磁場(chǎng)課程所述，環(huán)形天線(xiàn)的輻射效率是回路半徑相對于輻射波長(cháng)的函數。

●公式1列出了環(huán)形天線(xiàn)輻射產(chǎn)生的功率與半徑r和波長(cháng)λ的關(guān)系;h是自由空間常數。請注意回路半徑存在r8關(guān)系，而波長(cháng)存在λ4的關(guān)系。因此，在頻率較高的一側操作的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)是可使用較小尺寸的元件，以縮小輸入電流回路半徑。