POL調節器中的輸入紋波和噪聲的來(lái)源是什么?

愛(ài)立信POL調節器通過(guò)使用如圖1所示的非隔離型同步降壓拓撲來(lái)實(shí)現。在降壓功率級的正常運作期間，QH和QL交替開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)次數由具有固定頻率PWM方案的控制電路來(lái)管理。由于輸出端的電感器/電容器組合作用，用于降壓功率級的輸出電流變得平滑。但是，由于在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中功率開(kāi)關(guān)QH電流從零至全負載進(jìn)行脈動(dòng)，使得用于降壓功率級的輸入電流是脈動(dòng)或形成斬波。對于調節器的正確運作及最大限度地減少來(lái)自開(kāi)關(guān)調節器的噪聲排放，輸入電容器顯然是至關(guān)重要的。

圖1 降壓轉換器的簡(jiǎn)化原理圖和輸入波形

許多應用使用了相當傳統的中間總線(xiàn)架構(IBA)，如圖2所示。在IBA中，電路板級中間總線(xiàn)轉換器(IBC)為多個(gè)POL調節器饋送電力，這些調節器的位置接近負載電路，并且提供最終運作電壓。所有這些開(kāi)關(guān)轉換器在公用DC輸入總線(xiàn)產(chǎn)生紋波和噪聲，應當加以抑制。如果未有濾波，調節器的輸入紋波和噪聲可以達到足夠高的水平，干擾使用同一電源供電的其它設備。除了POL轉換器產(chǎn)生的輸入紋波和噪聲之外，IBC也具有自己的輸出電壓紋波和噪聲。

圖 2 在IBA中電路板級IBC為多個(gè)POL調節器饋送電力

因此，POL調節器上的輸入濾波器可發(fā)揮兩項重要的作用，一個(gè)作用是防止開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾到達電力線(xiàn)和影響其它設備，第二個(gè)作用是保護轉換器及其負載以避免輸入電壓中出現的瞬變，從而提高系統可靠性。

因此，POL調節器中的輸入紋波和噪聲的來(lái)源是什么?如何更好地設計輸入濾波器來(lái)緩減其發(fā)生?

穩定性

在輸入端增添一個(gè)具有衰減特性足夠良好能夠滿(mǎn)足噪聲和紋波規范要求的濾波器，如果輸入濾波器僅由電容器(C)構成，穩定性不是問(wèn)題。如果輸入濾波器還包括電感器(LC)，則必需檢查穩定性：因為輸入濾波器改變了調節器的動(dòng)態(tài)參數。輸出阻抗在某些頻率范圍可能變大，可能表現出共振，使得音頻的敏感性可能會(huì )降低。問(wèn)題在于LC輸入濾波器可能影響轉換器的動(dòng)態(tài)參數，通常會(huì )減低調節器的性能。

輸入濾波器設計中一個(gè)重要但常常被忽視的方面，就是要滿(mǎn)足Middlebrook規范。根據這項規范，如果輸入濾波器的輸出阻抗曲線(xiàn)遠遠低于輸入阻抗曲線(xiàn)，那么輸入濾波器便不會(huì )顯著(zhù)改動(dòng)轉換器環(huán)路增益，如公式1所示：

換句話(huà)說(shuō)，為了避免振蕩，關(guān)鍵在于確保濾波器的峰值輸出阻抗Zo,Filter保持低于其輸入阻抗 Zi,POL。如圖3所示，POL調節器經(jīng)設計為負載提供恒定電壓，(幾乎)與負載電流無(wú)關(guān)。因此，調節器在控制器帶寬范圍內的最小輸入阻抗Zi,POL,min如公式2計算所得：

此處：Vi是輸入電壓，Vo是輸出電壓，Io是穩態(tài)輸出負載電流，而η是調節器的效率。

圖 3 輸入濾波器的輸出阻抗和調節器的輸入阻抗示例

輸入紋波和噪聲源

對于POL調節器，輸入紋波和噪聲具有三個(gè)分量，首個(gè)出現在通常稱(chēng)作紋波的基礎開(kāi)關(guān)頻率上。

第二個(gè)分量是輸入總線(xiàn)上的AC電壓偏移，這是由于POL模塊輸出上的負載瞬態(tài)變化造成的，這通常是一種持續時(shí)間為數百微秒等級的、具有數十kHZ等效頻率的低頻現象。

第三個(gè)噪聲分量與發(fā)生在開(kāi)關(guān)轉換期間的高頻振鈴相關(guān)，POL以不連續脈沖電流的形式從輸入源中吸取功率過(guò)程中，它的開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生了這類(lèi)噪聲。這個(gè)分量的頻率等同于POL的開(kāi)關(guān)頻率，它具有數個(gè)可擴展到MHz頻率范圍的諧波。

另一個(gè)在DC總線(xiàn)上的高頻噪聲源是IBC。反射的紋波和來(lái)自源轉換器的噪聲通常比POL模塊引起的紋波和噪聲小很多，這是由于典型IBC在輸出上具有LC濾波器，可以顯著(zhù)減小紋波和噪聲。

因而，在輸入總線(xiàn)上生成的大多數紋波和噪聲的主要原因在于POL調節器，請留意所有愛(ài)立信POL調節器在模塊上都放置了陶瓷濾波電容器，可顯著(zhù)減小紋波和噪聲。然而，通過(guò)在POL模塊的輸入總線(xiàn)上放置附加的電容器，可以進(jìn)一步降低這些紋波和噪聲。

基礎開(kāi)關(guān)頻率輸入紋波

對于降壓轉換器，在開(kāi)關(guān)周期的導通部分，將輸出電感連接至輸入，在關(guān)斷期間則斷開(kāi)。對于輸入端的恒定DC電壓，在QH導通期間的輸入電容器電荷數必需等于QH關(guān)斷期間的電容器電荷數，且兩者極性相反。圖1所示為輸入電容器波形，公式3則詳細說(shuō)明降低紋波電壓幅度至可接受水平所需的陶瓷電容容量。紋波幅度隨著(zhù)輸入電壓而變化，在50%占空比下為最大值。下面是公式3：

其中：Ci,min是最小所需陶瓷輸入電容；?Vi,pp 是最大允許峰-峰輸入紋波電壓；fsw是開(kāi)關(guān)頻率，而D是上述定義的占空比。

輸入電壓紋波來(lái)源于等效串聯(lián)電阻ESR，可以按照如下公式4估算：

其中：?Vi,ESR是輸入電容器ESR引起的輸入電壓紋波，ESRi 是輸入電容器的ESR，?Ipp 是最大輸出電流紋波。

根據這些公式，為了降低輸入紋波，可以增加電容或減小輸入電容器的ESR。陶瓷電容器通常具有很低的ESR，并且對于輸入電壓紋波幾乎沒(méi)有影響。

輸入濾波電容器承載電流的AC組成部分，大多數紋波電流都會(huì )流經(jīng)已經(jīng)放置在模塊中的陶瓷電容器，然而，AC紋波電流的一部分也來(lái)自于輸入總線(xiàn)，而輸入總線(xiàn)大多數是由外部輸入電容器提供的。因而，注意RMS額定電流不要超出所選擇的外部電容器。

總體RMS電流ICi,RMS分布在外部和內部輸入電容器之間，計算如下公式5：

請留意RMS電流可以通過(guò)愛(ài)立信電源設計人員(EPD)工具中的同步/相位展開(kāi)功能來(lái)計算。

輸出瞬變帶來(lái)的低頻率噪聲

當設計使用共享的大容量輸入電容器組，并且包括單一或多個(gè)POL模塊的系統時(shí)，第一步是計算輸入瞬態(tài)電流的幅度，這是通過(guò)計算每個(gè)POL模塊的輸出瞬變的反射輸入瞬變電流得到的。在計算每個(gè)模塊的個(gè)別輸入瞬變之后，將它們相加以得到總體瞬變電流。在計算時(shí)，必需確定所有模塊的最差情形瞬變組合，并且相應地處理。通過(guò)以下公式6計算輸入電流瞬變幅度?Ii：

此處：?Ii是輸入瞬變電流，?Io 是輸出瞬變電流。

接下來(lái)，確定在輸入電容器上的最大允許電壓偏差?Vtr。

這是步驟一計算的峰值瞬變期間的最大允許下降，下述公式7計算最小所需輸入電容Ci,tr,min。

此處：Lftotal 是串行濾波器電感加上雜散電感，如果沒(méi)有使用濾波器電感電感濾波器，便必需把雜散電感 Lsrc,計算在內。

請留意這個(gè)公式是計算近似值，它生成的數值應當被認為是絕對最小值。選擇電容器數值以滿(mǎn)足所需總體電容時(shí)，應當考慮溫度和DC偏壓和紋波電流降額等其它因素的影響，這些因素可能會(huì )降低實(shí)際的數值。

高頻噪聲

DC-DC轉換器中的高頻輸入噪聲是在高頻振鈴過(guò)程中產(chǎn)生，或者與轉換器功率級的寄生元件有關(guān)。存儲在寄生元件中的能量在開(kāi)關(guān)轉換期間振蕩或振鈴，這類(lèi)噪聲通常為數百MHz。

鋁電解和鉭電容器具有高等效串聯(lián)電阻(ESR)值，因此，通常并不適合解耦POL模塊的噪聲和紋波。然而，它們能夠配合陶瓷電容器組合，用于抑制負載瞬變引起的較低頻率紋波等其它用途。 對于高頻衰減，必需選擇針對紋波電流能力并具有低ESL和低ESR的電容器。為了降低模塊輸入端的高頻電壓尖峰，在模塊的輸入端應當放置小封裝陶瓷電容器。

在處理高頻開(kāi)關(guān)紋波和噪聲方面，布局也是很重要的。陶瓷電容器應當盡可能靠近POL調節器，如圖4所示，如果需要，在其后面應接著(zhù)低ESR聚合物和鋁電解電容器。

應該通過(guò)使用較寬的跡線(xiàn)或形狀及并行板，最大限度地減小雜散電感。

由于RMS電流將由多個(gè)輸入電容器分享，建議挑選在開(kāi)關(guān)頻率下，阻抗相比鉭電容和/或鋁電解電容器低很多的陶瓷電容器。這將確保大部分RMS紋波電流將會(huì )流經(jīng)陶瓷電容器，而不會(huì )通過(guò)具有高ESR的鉭電容器和/或鋁電解電容器。

請留意X5R多層陶瓷電容器(MLCC)具有高電容，但是電容會(huì )在50%以上的額定電壓下顯著(zhù)減小。X7R電容器對比DC電壓和溫度的典型電容變化如圖5和圖6所示?？梢钥吹?，在-55 °C至 125 °C溫度范圍，X7R電容器僅僅變化±15%。然后，必需找到在寬溫度范圍保持穩定性的應用。因此，由于X7R具有良好的溫度和電壓系數，因而是優(yōu)選的介電材料。由于碎裂問(wèn)題，應當避免MLCC大于1210，還必需觀(guān)察電容器制造商的焊接和處理指令。

圖 4. 顯示輸入電容器的放置的BMR 463模塊布局示例

具有超低紋波和噪聲的輸入DC總線(xiàn)

根據應用，有時(shí)設計人員會(huì )選擇在分布式總線(xiàn)和開(kāi)關(guān)調節器的輸入之間插入一個(gè)電感器，以防止噪聲耦合進(jìn)入電路板上的其它電路。在這樣的情況下，使用一個(gè)具有小電感和小電容組合的濾波器，就是最節省成本和空間的最好解耦方法，參見(jiàn)圖7。濾波器電路中的電感器增加了輸入總線(xiàn)的源電阻，選擇電感器的數值時(shí)，應當以滿(mǎn)足公式1為準則。

圖5. X7R電容器對比DC電壓的典型電容變化

圖6. X7R電容器對比溫度的典型電容變化

圖7.結合電感器和電容器組合的濾波器的電路圖

相位展開(kāi)

當多個(gè)POL調節器共享一個(gè)DC輸入電源時(shí)，最好是調節每個(gè)器件的時(shí)鐘相位偏移，使得各器件的上升邊緣并不一致。為了實(shí)現相位展開(kāi)，所有轉換器都必需根據相同的開(kāi)關(guān)時(shí)鐘進(jìn)行同步。

在相位展開(kāi)電源中，并行調節器在特定的相位角度開(kāi)關(guān)。這些角度均勻地分布，因而可最大限度地消除紋波電流，針對輸入電容器RMS電流ICi,RMS的通用公式近似這樣：

在上述公式（8）中：m=floor(ND)，floor函數傳回低于或等于輸入數值ND的最大整數，N是有效相位的數目。

圖8. 常規化RMS輸入紋波電流對比占空比

圖8顯示在負載電流上的正?；斎爰y波電流RMS數值對比具有不同有效相位數目的占空比。

從公式7和公式8看出，輸入紋波電流的消除與相位和占空比的數目相關(guān)，增加更多相位通?？蓪?shí)現更大的紋波削減。電容器ESR使得大紋波電流將會(huì )在輸入電容器中引起很高的功耗，也會(huì )縮短電容器的使用壽命。除了減小輸入RMS電流，交錯也會(huì )減小峰-峰電流。

輸入電容器的開(kāi)關(guān)電流通常是高頻噪聲的主要來(lái)源，通過(guò)降低開(kāi)關(guān)電流幅度可以降低電流轉換速率，同時(shí)可為高邊MOSFET提供AC電流，從而減小噪聲。輸入紋波的頻率也高于單相運作的頻率。較高的頻率可以減小輸入濾波器的體積和成本。

公式8定義了通過(guò)相位展開(kāi)將紋波電壓幅度降低至可接受水平所需的輸入電容。

在下面公式（9）中,ΔVi,pp 是輸入電容所貢獻的可接受輸入電壓紋波，這是濾除大部分脈沖電流的輸入電容。

根據下面公式（10）可以估算出輸入電容器件ESRi 的 ESR所引起的輸入電壓紋波。