降低開(kāi)關(guān)穩壓器噪聲

開(kāi)關(guān)模式電源會(huì )產(chǎn)生噪聲。很多應用都需要限制該噪聲，從而不影響模擬數據完整性，同時(shí)符合某些EMI要求。本文將介紹我們在開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)中發(fā)現的各種類(lèi)型噪聲、討論不同的噪聲耦合機制，并最終給出減少噪聲生成的解決方案和過(guò)濾其余干擾的最佳策略。

雖然本文討論的概念通常適用于全部SMPS設計，但本文主要關(guān)注非隔離式DC-DC轉換器，或負載點(diǎn)轉換器(POL)——它們用來(lái)提供電子系統中的各種低壓電源軌?，F在，板級非隔離式DC-DC轉換通常使用開(kāi)關(guān)模式技術(shù)來(lái)實(shí)現。因此，執行此功能的元件通常稱(chēng)為開(kāi)關(guān)穩壓器。

然而應注意，在業(yè)內，“DC-DC轉換器”、“負載點(diǎn)轉換器”和“開(kāi)關(guān)穩壓器”等名稱(chēng)一定程度上可以互相代替使用，雖然有的時(shí)候電源IC和模塊供應商根據器件功能集成度的不同而區別對待這些名稱(chēng)。無(wú)論如何，大部分板級DC-DC轉換器實(shí)際上是開(kāi)關(guān)穩壓器。但非隔離式DC-DC轉換還可通過(guò)另一類(lèi)的穩壓器(即線(xiàn)性穩壓器)實(shí)現。然而，它們主要用作噪聲敏感型負載的電源軌供電。否則，開(kāi)關(guān)穩壓器的高功率轉換效率能為大部分應用提供優(yōu)勢。

開(kāi)關(guān)穩壓器本質(zhì)上十分噪雜。它們在很短的躍遷時(shí)間內導通和關(guān)斷高電流。這種組合一定會(huì )產(chǎn)生大量噪聲。雖然開(kāi)關(guān)模式電源的基本原理無(wú)法改變，但顯然有一些方法可以減少噪聲的產(chǎn)生，并通過(guò)不同途徑過(guò)濾其余噪聲。這些多樣化的手段使應用得以通過(guò)EMI測試，同時(shí)防止電源噪聲耦合至某個(gè)系統的其它敏感模擬電路。

各種噪聲類(lèi)型

開(kāi)關(guān)穩壓器產(chǎn)生各種類(lèi)型的噪聲。最重要的是來(lái)自開(kāi)關(guān)頻率的開(kāi)關(guān)噪聲、來(lái)自開(kāi)關(guān)躍遷的高頻噪聲、開(kāi)關(guān)躍遷之后的高頻諧波、斷續電流導通模式下的高頻諧波，以及同一系統中運行多個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器產(chǎn)生的拍頻。

開(kāi)關(guān)頻率噪聲

開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲可能會(huì )有很大影響。目前對于非隔離式DC-DC轉換器而言，開(kāi)關(guān)噪聲通常位于500 kHz至3 MHz范圍的頻段內。開(kāi)關(guān)頻率噪聲的特點(diǎn)在于，開(kāi)關(guān)頻率可以通過(guò)外部時(shí)鐘信號以較高的精度來(lái)調節。經(jīng)過(guò)這樣的調節之后，該噪聲相對比較容易濾除。

該噪聲會(huì )產(chǎn)生輸出紋波電壓，可以通過(guò)LC濾波器過(guò)濾。另外，可以使用線(xiàn)性穩壓器來(lái)降低進(jìn)入敏感負載的紋波電壓。圖1中，最上面的波形是降壓穩壓器產(chǎn)生的輸出紋波電壓。當使用帶有極低等效串聯(lián)電阻(ESR)的陶瓷輸出電容時(shí)，這種波形是特征波形。圖1中最下面的波形表明放置在開(kāi)關(guān)穩壓器輸出端的額外LC濾波器或線(xiàn)性穩壓器是如何衰減此信號的。

為了幫助設計人員計算特定設計的正確濾波器元件值，半導體制造商通過(guò)網(wǎng)站提供計算工具。ADI提供ADIsimPower(用于電路計算)和ADIsimPE(用于仿真)。

圖1.根據開(kāi)關(guān)模式電源的開(kāi)關(guān)頻率得到的輸出紋波電壓。

開(kāi)關(guān)躍遷噪聲

開(kāi)關(guān)躍遷產(chǎn)生的高頻噪聲通常最為棘手。此噪聲是電流路徑上寄生電感的函數，包括與電路板走線(xiàn)、IC引腳、過(guò)孔和焊線(xiàn)相關(guān)的電感。

舉例而言，如果有1英寸PCB走線(xiàn)，那么根據經(jīng)驗法則，假定這段走線(xiàn)存在大約20 nH寄生電感。假定一個(gè)典型的開(kāi)關(guān)穩壓器設計中，開(kāi)關(guān)躍遷速度為30 ns，所需輸出電流為5 A，可以計算出該1英寸走線(xiàn)所產(chǎn)生的失調電壓——只需使用電感的基本公式：V = L * di/dt。代入例子中的數值，得到總失調電壓為3.3 V。

這是非常大的失調值——由于電流快速變化而導致長(cháng)度僅為1英寸的走線(xiàn)所產(chǎn)生的失調。產(chǎn)生的這一交流失調電壓將耦合至設計中，導致干擾耦合噪聲。圖2顯示了一個(gè)降壓穩壓器的開(kāi)關(guān)躍遷。

圖2.降壓穩壓器中的快速開(kāi)關(guān)躍遷。

降低該噪聲的關(guān)鍵是最大程度降低寄生電感。上文公式中的“di”無(wú)法降低，因為一定的負載要求一定的電流。未來(lái)電流可能更大，因為IC工藝幾何尺寸的縮小要求更低的電壓，同時(shí)假定功率不變，則電流更大。類(lèi)似地，“dt”應當為較小值?？焖佘S遷時(shí)間減少開(kāi)關(guān)損耗，從而允許更高的開(kāi)關(guān)頻率，可以使用小型低成本電感和輸出電容。

在2000年以前，大部分開(kāi)關(guān)穩壓器使用雙極性開(kāi)關(guān)晶體管作為功率開(kāi)關(guān)。它們的躍遷時(shí)間相對較慢，為大約100 ns或更長(cháng)。它們具有較高的開(kāi)關(guān)損耗，要求開(kāi)關(guān)頻率較低。然而，它們由于寄生電感產(chǎn)生的失調電壓也低得多。

今天，開(kāi)關(guān)躍遷速度達到了幾納秒。未來(lái)，利用碳化硅、氮化鎵和其它極高速功率開(kāi)關(guān)技術(shù)，躍遷時(shí)間可能會(huì )進(jìn)一步縮短。這些技術(shù)能實(shí)現更低的開(kāi)關(guān)損耗，從而有望獲得更高的開(kāi)關(guān)頻率，允許設計出極為緊湊、低成本的電源。若要降低所產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)躍遷噪聲，我們唯一能做的是降低上文公式中與“L”有關(guān)的寄生電感。

圖3顯示了開(kāi)關(guān)模式降壓穩壓器中的關(guān)鍵交流電流走線(xiàn)，在底部以紅色表示。在任何開(kāi)關(guān)模式電源中都很容易找到這些關(guān)鍵走線(xiàn)。第一步，確定導通期間的電流。這一步在最上方的原理圖內完成，藍色表示電流流動(dòng)。隨后，確定關(guān)斷期間的電流通路。中間的原理圖顯示了該電流路徑，以綠色表示。在第三個(gè)原理圖中，我們標出了全部走線(xiàn);最上方原理圖和中間原理圖的電流通路有所不同。這些是我們在數納秒時(shí)間內將電流大小從全電流變?yōu)榱汶娏鞯淖呔€(xiàn)。

圖3.在開(kāi)關(guān)模式電源中找到交流電流走線(xiàn)。

這些走線(xiàn)一定要盡量短。這樣可以降低寄生電感L，從而降低這類(lèi)開(kāi)關(guān)躍遷之后產(chǎn)生的失調電壓。

在降壓穩壓器示例中，這意味著(zhù)輸入電容需要盡量靠近上管開(kāi)關(guān)，同時(shí)盡量靠近下管開(kāi)關(guān)的接地。這表示關(guān)鍵交流走線(xiàn)同樣可以是接地走線(xiàn)。這種返回電流不能直接通過(guò)接地層。若非如此，那么它們將使接地層產(chǎn)生基于返回走線(xiàn)寄生電感的失調電壓。

圖4顯示了應當如何處理交流接地電流返回路徑。應將其局部連接。在此局部接地路徑上不能使用過(guò)孔，因為它們會(huì )導致電感增加，從而增加失調電壓，產(chǎn)生更多噪聲。當然，此局部交流電流接地返回走線(xiàn)應當具有地電位，因此我們通過(guò)一個(gè)過(guò)孔將該走線(xiàn)連接至接地層的某一點(diǎn)上。這樣可以把噪雜的交流返回電流限制在局部范圍內。

接地電流返回路徑到接地層的過(guò)孔連接有助于將噪雜的局部交流電流返回走線(xiàn)從干凈的接地層電壓中去耦。

圖4.將交流電流走線(xiàn)限制在局部范圍內，且不要直接通過(guò)接地層。

破壞這一規則并讓開(kāi)關(guān)穩壓器的交流返回電流進(jìn)入接地層會(huì )導致整個(gè)接地層反彈，產(chǎn)生各種問(wèn)題。接地層理應為系統中的各種子電路提供精確的接地基準電位，同時(shí)理應屏蔽RF噪聲。如果理想情況下接地層不搭載電流，那么它將是干凈的，且各處電壓相等。

開(kāi)關(guān)躍遷噪聲通常位于10 MHz至300 MHz范圍內。其頻率比開(kāi)關(guān)穩壓器的開(kāi)關(guān)頻率要高得多。針對在電源輸出端衰減此噪聲而言，使用LC濾波器來(lái)降低輸出紋波電壓的常用方法可能并不是一個(gè)很好的選擇。鐵氧體磁珠更適合用來(lái)衰減這類(lèi)高頻率。

開(kāi)關(guān)躍遷之后的振鈴

開(kāi)關(guān)躍遷之后，開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上的電壓振鈴可從圖5中看出。這是由多種因素導致的。最主要的原因，是寄生的影響以及電流無(wú)法瞬間變化這一事實(shí)，它需要一段時(shí)間通過(guò)寄生電感限制變化。

這類(lèi)噪聲可以通過(guò)吸收器或有源箝位電路降低。無(wú)源吸收器會(huì )將此振鈴的能量耗散至電阻，并最終產(chǎn)生熱量。有源箝位電路將振鈴能量的一部分反饋回到電路中，提升電源的總效率。

在簡(jiǎn)單的非隔離式DC-DC轉換器中，通常不使用吸收器，因為開(kāi)關(guān)節點(diǎn)振鈴中的能量大部分時(shí)間內都不會(huì )太高，只會(huì )造成小的干擾。在基于變壓器的開(kāi)關(guān)模式電源中，通常更需要通過(guò)原邊和副邊吸收器或有源箝位電路來(lái)降低噪聲。

圖5.開(kāi)關(guān)躍遷之后的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓振鈴。

斷續電流導通模式中的振鈴

在斷續電流導通模式(DCM)中，可以在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上觀(guān)察到一些較低頻率振鈴。它可以在異步降壓穩壓器中看到，其中下管開(kāi)關(guān)采用續流肖特基二極管實(shí)現。當下管開(kāi)關(guān)未主動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)斷，并且MOSFET的體二極管搭載關(guān)斷期間電流時(shí)，同步降壓穩壓器在輕載節能模式下也會(huì )表現出此特點(diǎn)。

其產(chǎn)生的振鈴如圖6所示。它是由于電感電流為零，且兩個(gè)開(kāi)關(guān)均為關(guān)斷時(shí)，在暫時(shí)處于高阻抗的開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上來(lái)回擺動(dòng)電荷所導致。

圖6.異步降壓穩壓器中的DCM振鈴。

一般而言，設計一個(gè)噪聲最低的開(kāi)關(guān)穩壓器時(shí)，穩壓器不應配置為DCM工作模式。在輸出功率不變的情況下，DCM相比連續電流導通模式(CCM)產(chǎn)生高得多的峰值電流。這些峰值電流很有可能導致系統產(chǎn)生過(guò)多噪聲。然而，每一個(gè)CCM設計在輕載條件下都會(huì )工作在DCM模式。

因此，如果某個(gè)設計需要在滿(mǎn)載和部分負載條件下以最低噪聲運行，則可以使用吸收器來(lái)減少DCM振鈴。然而，由于此振鈴通常為暫時(shí)高阻抗開(kāi)關(guān)節點(diǎn)上的極低功率振鈴，因而大部分情況下都不需要使用緩沖器。

拍頻

拍頻是一種由于某系統中兩個(gè)不同開(kāi)關(guān)頻率交疊而產(chǎn)生的低頻率。大部分現代電子系統都要求多個(gè)電壓軌。處理器內核、I/O接口、FPGA以及模擬電路通常要求不同的電源電壓。

為了產(chǎn)生這些電壓，一般使用開(kāi)關(guān)穩壓器。如果選擇簡(jiǎn)單的固定頻率降壓型DC-DC轉換器，則它們并非全都以完全一致的開(kāi)關(guān)頻率進(jìn)行切換。典型開(kāi)關(guān)頻率可能為1 MHz，但如果查看穩壓器數據手冊中的電氣特性，實(shí)際上會(huì )發(fā)現1 MHz開(kāi)關(guān)頻率會(huì )在最小值和最大值之間變化。因此，一個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器可能工作在900 kHz，另一個(gè)可能工作在1.1 MHz，而非全部?jì)蓚€(gè)都工作在1 MHz。

圖7顯示了一個(gè)系統內具有兩個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器的示例。雖然全部?jì)蓚€(gè)開(kāi)關(guān)都是同一種類(lèi)型，且它們的典型開(kāi)關(guān)頻率為1 MHz，但最上面的穩壓器工作在1.1 MHz，而最下面的穩壓器則工作在900 kHz。在最上面那個(gè)開(kāi)關(guān)的輸出端顯然可以看到1.1 MHz紋波電壓，但同時(shí)也能看到900 KHz開(kāi)關(guān)的額外效果。這是最下面那個(gè)穩壓器的輸入開(kāi)關(guān)噪聲，通過(guò)最上面的穩壓器耦合至2.5 V輸出電壓。

無(wú)論何時(shí)，只要有類(lèi)似這樣的交疊頻率，兩個(gè)峰值都會(huì )不時(shí)落在對方的頂部，由此產(chǎn)生額外的較低頻率。此頻率可能會(huì )耦合進(jìn)入系統中，且通常不易濾除這一低頻。它甚至還可能是一種聲頻，導致系統產(chǎn)生干擾聲音。

圖7.一個(gè)系統中的多個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器以及拍頻的產(chǎn)生。

處理此效應的最佳方式是將系統中的全部開(kāi)關(guān)穩壓器同步至相同的開(kāi)關(guān)頻率。這樣便不會(huì )產(chǎn)生拍頻。在進(jìn)行這樣處理的同時(shí)，相移每一個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器的開(kāi)關(guān)周期是一個(gè)很好的主意。這表示它們共享相同的開(kāi)關(guān)頻率，但在不同的時(shí)間開(kāi)始導通上管開(kāi)關(guān)。這導致多個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器在不同時(shí)刻開(kāi)始拉取源電流。積極的一面是這樣降低了降壓穩壓器輸入線(xiàn)路上的噪聲，并減少所需的輸入旁路電容數量，節省了電路板空間，降低了成本。

實(shí)現這種交錯式穩壓器的一種方式是使用帶有多個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器的電源管理單元，所有元件全部集成在一個(gè)芯片內，比如ADI的ADP5135。之后，電路設計人員便無(wú)需擔心不同開(kāi)關(guān)的同步和相移問(wèn)題。它們是自動(dòng)實(shí)現的，且不會(huì )出現拍頻。

降壓穩壓器中的輸入濾波

很多時(shí)候，當在系統中使用降壓穩壓器且存在噪聲問(wèn)題時(shí)，工程師直觀(guān)地決定過(guò)濾穩壓器輸出。由于輸出最終連接至噪聲敏感型負載，因而需要過(guò)濾輸出——或沿著(zhù)這條思路進(jìn)行設計。但事實(shí)上，降壓穩壓器產(chǎn)生的輸出通常具有較低的噪聲。

圖8顯示了降壓轉換器的低噪聲和高噪聲端。輸出端為低噪聲，因為電感與輸出串聯(lián)。電感電流在導通期間上升，在關(guān)斷期間下降。相反，降壓轉換器的輸入端具有極高的噪聲。在導通期間，最大電流流過(guò)輸入走線(xiàn);在關(guān)斷期間，沒(méi)有電流流入輸入端。這就是將輸入線(xiàn)路視作交流電流線(xiàn)路的原因。

圖8.降壓穩壓器的輸入端實(shí)際上是噪雜的一端。

輸入電容確實(shí)有助于略為平攤源電流，但它無(wú)法完全產(chǎn)生恒定的直流輸入電流。因此，設計人員應當牢記，當系統中出現降壓穩壓器有關(guān)的噪聲問(wèn)題時(shí)，問(wèn)題通常并非出在降壓穩壓器的輸出端，而是輸入端。輸入端噪聲很大，且在特定PCB上經(jīng)常具有很長(cháng)的走線(xiàn)?？梢越柚斎霝V波解決這個(gè)問(wèn)題。