電源適配器噪聲產(chǎn)生原因及解決措施

從數據中心的服務(wù)器到電信設備和工業(yè)系統，開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）用于各種應用，因為它具有高效率，功率密度和低成本的快速瞬態(tài)響應等優(yōu)點(diǎn)。

然而，雖然提供許多優(yōu)點(diǎn)，但已知SMPS電源如開(kāi)關(guān)降壓和升壓DC/DC轉換器以及負載點(diǎn)（POL）調節器會(huì )產(chǎn)生噪聲。在尋求保持數據完整性和高性能的許多應用中，這種噪聲是不希望的。

此外，為了通過(guò)更嚴格的新監管標準，電源產(chǎn)生的EMI必須保持低于以往的水平。

實(shí)際上，這些電源的開(kāi)關(guān)頻率會(huì )產(chǎn)生許多不同類(lèi)型的噪聲。之前有人認為它們是由開(kāi)關(guān)頻率引起的高頻噪聲的開(kāi)關(guān)噪聲開(kāi)關(guān)轉換，開(kāi)關(guān)轉換后振鈴，以及在一個(gè)系統中運行的多個(gè)開(kāi)關(guān)穩壓器引起的拍頻。

這里我們將研究開(kāi)關(guān)穩壓器和DC/DC轉換器產(chǎn)生的這些不同類(lèi)型的噪聲，并討論解決方案，包括濾波技術(shù)，以減少和最小化開(kāi)關(guān)SMPS電源中的噪聲。

SMPS噪聲

根據Dostal，主要噪聲類(lèi)型是由開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲供應。他說(shuō)，通常，對于非隔離式DC/DC轉換器，此噪聲的頻帶在500 kHz和3 MHz之間。

但是，由于它取決于開(kāi)關(guān)頻率，因此可以使用低通濾波器輕松控制和濾除。開(kāi)關(guān)噪聲會(huì )產(chǎn)生輸出紋波電壓，如圖1所示?？梢允褂脽o(wú)源LC低通濾波器或有源低通濾波器輕松濾除。

圖1：由開(kāi)關(guān)穩壓器的開(kāi)關(guān)頻率引起的輸出紋波電壓（頂部）。使用LC濾波器的衰減紋波電壓顯示在底部。

然而，在我們進(jìn)入濾波器設計之前，讓我們更詳細地檢查輸出紋波電壓。

如公式1所示，開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出紋波電壓可以通過(guò)電感電流紋波精確計算，電感電流紋波基于電感的實(shí)際電感值，開(kāi)關(guān)轉換器的輸入和輸出電壓，開(kāi)關(guān)頻率（fSW）和輸出電容（COUT） ）包括其等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）。

根據ADI的開(kāi)關(guān)轉換器數據手冊，在電感選擇方面存在一些折衷。例如，小電感器以較大的電感器電流紋波為代價(jià)提供更好的瞬態(tài)響應，而大電感器以較慢的瞬態(tài)響應能力為代價(jià)導致較小的電感器電流紋波。

使用低ESR電容可最大限度地降低開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出紋波。具有電介質(zhì)X5R或X7R的陶瓷電容器是一個(gè)不錯的選擇。

雖然通常使用大電容來(lái)降低輸出紋波，但輸出電容的大小和數量可能會(huì )以成本和電路板空間為代價(jià)。

雖然像ADI和德州儀器這樣的半導體供應商已經(jīng)創(chuàng )建了工具為了幫助設計人員根據輸入和輸出電壓規范選擇合適的開(kāi)關(guān)轉換器或穩壓器，包括開(kāi)關(guān)頻率，無(wú)源元件供應商為電源設計了LC設計工具。

例如，與Nuhertz Technologies合作，Coilcraft提供了一種設計工具，可以使用實(shí)際的Coilcraft電感值創(chuàng )建橢圓低通濾波器，而不僅僅是理想的元件。

它確保模擬濾波器接近真實(shí)世界濾波器的性能。由于輸出電壓紋波的頻率基于轉換器的開(kāi)關(guān)頻率，因此低通LC濾波器的轉角或截止頻率必須低于轉換器的開(kāi)關(guān)頻率，以衰減輸出電壓紋波。

同樣，開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生的另一種噪聲是開(kāi)關(guān)轉換噪聲，ADI的Dostal稱(chēng)之為最具挑戰性的噪聲。

它與電流路徑中的寄生電感有關(guān)。它包括由印刷電路板（PCB）走線(xiàn)，IC封裝引線(xiàn)和多層PCB過(guò)孔以及芯片焊接線(xiàn)產(chǎn)生的寄生電感。

Dostal說(shuō)，根據經(jīng)驗，一英寸的PCB走線(xiàn)有大約20 nH的寄生電感。該寄生電感產(chǎn)生偏移電壓，該公差可以使用公式V = L * di/dt容易地計算。

以下示例顯示了典型現代開(kāi)關(guān)轉換器或穩壓器中寄生電感產(chǎn)生的噪聲量。

由于今天的開(kāi)關(guān)穩壓器在輸出級采用了更快的開(kāi)關(guān)MOSFET，因此ADI文章假設開(kāi)關(guān)轉換速度在具有5A輸出電流的典型開(kāi)關(guān)穩壓器設計中為30 ns。

使用上面的公式，20 nH寄生電感產(chǎn)生的電壓偏移為3.3 V.這個(gè)產(chǎn)生的偏移電壓將在開(kāi)關(guān)穩壓器的輸出中顯示為不需要的噪聲，如圖2所示。

圖2：快速開(kāi)關(guān)降壓穩壓器中的寄生電感會(huì )導致高失調電壓，在輸出端出現不需要的噪聲。

顯然，寄生電感是這種噪音的關(guān)鍵因素。因此，必須通過(guò)適當的PCB布局將其最小化，這又會(huì )降低偏移電壓。

為實(shí)現這一目標，應盡可能縮短PCB上的互連走線(xiàn)，并使用表面貼裝元件來(lái)消除封裝引線(xiàn)。由于此噪聲介于10 MHz和300 MHz之間，因此Dostal建議使用鐵氧體磁珠來(lái)衰減此噪聲。

電壓振鈴，節拍頻率

Parasitics還會(huì )產(chǎn)生另一種稱(chēng)為電壓振鈴的噪聲 [2] 。它發(fā)生在開(kāi)關(guān)節點(diǎn)的開(kāi)關(guān)轉換期間，并疊加在輸出紋波電壓上，如圖3所示。

圖3：開(kāi)關(guān)節點(diǎn)電壓振鈴疊加在輸出紋波電壓上。 （由ADI公司提供）

幸運的是，可以通過(guò)使用緩沖器或有源鉗位電路來(lái)減少它。包括電阻器和電容器的無(wú)源緩沖器將該振鈴的能量耗散到電阻器中并產(chǎn)生熱量。

另一方面，有源鉗位電路將振鈴的能量部分地饋回電路，從而提高電源的整體效率。

在部署多個(gè)開(kāi)關(guān)轉換器或穩壓器以產(chǎn)生多個(gè)電壓的系統中為了驅動(dòng)各種負載，如處理器內核，I/O接口，FPGA，ASIC和模擬電路，如果這些轉換器或POL穩壓器的開(kāi)關(guān)頻率不同步，則拍頻是常見(jiàn)問(wèn)題。

當兩個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)DC/DC轉換器并聯(lián)使用N + 1冗余解決方案以獲得更高輸出功率或更高可靠性時(shí)，應用中也會(huì )出現此問(wèn)題。

現在，如果轉換器是非同步的，固定頻率切換大約為1 MHz，并且源是公共總線(xiàn)，它們往往會(huì )在稱(chēng)為拍頻的輸入端產(chǎn)生低頻噪聲。

它會(huì )在音頻頻率上產(chǎn)生不需要的輸入AC紋波電流，從而產(chǎn)生不希望的聲音和紋波電流。

緩解此問(wèn)題的一種簡(jiǎn)單方法是使用ADI公司的集成同步開(kāi)關(guān)DC/DC轉換器ADP5135采用單個(gè)封裝提供多開(kāi)關(guān)降壓調節器，如圖4所示。

由于此類(lèi)穩壓器的開(kāi)關(guān)頻率與公共源同步，因此可消除非同步解決方案中出現的拍頻問(wèn)題。

圖4：ADP5135在一個(gè)24引腳，4 mm×4 mm-LFCSP封裝中集成了三個(gè)高性能降壓調節器。 （由Analog Devices提供）

雖然在單個(gè)系統板上使用多開(kāi)關(guān)DC/DC轉換器會(huì )在這些電源的輸入和輸出上產(chǎn)生各種開(kāi)關(guān)噪聲，如ADI公司和德克薩斯州等供應商除其他外，儀器已經(jīng)生成了解決此類(lèi)問(wèn)題的簡(jiǎn)單解決方案。