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穩(wěn)壓器噪聲大，怎么輕松降噪呢？

發(fā)布日期：2022-09-03 00:00:00 作者：德力西旗艦店

摘要： ?一般來說，與低壓差(LDO)調(diào)節(jié)器的輸出相比，傳統(tǒng)開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出電壓被認為是有噪聲的。然而，LDO電壓會引起嚴(yán)重的附加熱問題

一般來說，與低壓差(LDO)調(diào)節(jié)器的輸出相比，傳統(tǒng)開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出電壓被認為是有噪聲的。然而，LDO電壓會引起嚴(yán)重的附加熱問題，并使電源設(shè)計更加復(fù)雜。有必要充分了解開關(guān)調(diào)節(jié)器的噪聲，這有助于設(shè)計低噪聲開關(guān)解決方案，并使其具有與LDO調(diào)節(jié)器相同的低噪聲性能。本文的目的是分析和評估電流模式控制的降壓調(diào)節(jié)器，因為它是最常用的應(yīng)用。信號分析是了解開關(guān)紋波噪聲、電流寬帶噪聲(及其來源)特性和開關(guān)引起的高頻尖峰噪聲的主要方法。本文將討論開關(guān)穩(wěn)壓器的PSRR(電源抑制比，對抑制輸入噪聲很重要)和信號分析方法。

開關(guān)紋波噪聲

本部分介紹了基于基波和諧波理論的buck變換器輸出紋波的計算公式。根據(jù)開關(guān)調(diào)節(jié)器的拓撲結(jié)構(gòu)和基本操作，紋波始終是開關(guān)調(diào)節(jié)器中的主要噪聲，因為峰峰值電壓幅度一般為幾mV至幾十mV。它應(yīng)該被視為一個周期性的和可預(yù)測的信號。如果它工作在固定的開關(guān)頻率，那么它很容易被時域的示波器或頻域的傅里葉分解識別和測量。

VIN是輸入電壓。d是占空比；對于降壓調(diào)節(jié)器，它等于VOUT/VIN，確定VIN后，VSW的基波和諧波分量僅取決于占空比。圖2顯示了與占空比相關(guān)的VSW基波和諧波幅度。當(dāng)占空比接近一半時，紋波幅度主要由基波決定。

為了簡化計算，我們假設(shè)輸出LC級為20 dB/倍頻程，后跟與占空比相關(guān)的VOUT紋波的基波和諧波幅度，如圖3所示。當(dāng)占空比接近一半時，三次或奇次諧波將高于偶次諧波。由于LC抑制，高次諧波的幅度較低，與總紋波幅度相比，其比例非常小。同樣，基波幅度是開關(guān)調(diào)節(jié)器輸出紋波的主要成分。

對于降壓調(diào)節(jié)器，基波幅度與輸入電壓、占空比、開關(guān)頻率和LC級有關(guān)。然而，所有這些參數(shù)都會影響應(yīng)用要求，例如效率和解決方案大小。為了進一步降低紋波，建議增加一個后置濾波器。

寬帶噪聲

開關(guān)調(diào)節(jié)器中的寬帶噪聲是輸出電壓上的隨機幅度噪聲。可以用整個頻率范圍內(nèi)的噪聲密度來表示，單位為V/√Hz z，也可以用Vrms來表示，Vrms與頻率范圍內(nèi)的密度密不可分。由于硅工藝和基準(zhǔn)電壓源濾波器設(shè)計的限制，寬帶噪聲主要存在于開關(guān)穩(wěn)壓器10Hz到1MHz的頻率范圍內(nèi)，在低頻范圍內(nèi)很難通過增加濾波器來降低。

典型降壓調(diào)節(jié)器寬帶噪聲的峰峰值電壓約為100μV至1000μV，遠低于開關(guān)紋波噪聲。如果使用額外的濾波器來降低開關(guān)紋波噪聲，寬帶噪聲可能會成為開關(guān)調(diào)節(jié)器輸出電壓的主要噪聲。圖4顯示，沒有附加濾波器時，降壓調(diào)節(jié)器輸出噪聲的主要來源是開關(guān)紋波。圖5顯示，使用附加濾波器時，輸出噪聲的主要來源是寬帶噪聲。

為了識別和分析開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸出寬帶噪聲，必須獲得調(diào)節(jié)器控制方案和模塊噪聲信息。例如，圖6顯示了典型的電流模式降壓調(diào)節(jié)器控制方案和模塊噪聲源注入。

有兩種不同的噪聲:環(huán)路的輸入噪聲和環(huán)路中的噪聲。控制環(huán)路帶寬內(nèi)的環(huán)路輸入噪聲將被傳輸?shù)捷敵龆?，而環(huán)路帶寬外的噪聲將被衰減。對于開關(guān)調(diào)節(jié)器，設(shè)計低噪聲EA和基準(zhǔn)電壓源非常重要，因為單位反饋增益將保持噪聲水平不變，而不是隨著輸出電壓水平的增加而增加。最大的挑戰(zhàn)是找出整個系統(tǒng)中最大的噪聲源，并在電路設(shè)計中降低它。ADP5014針對低噪聲技術(shù)進行了優(yōu)化。它采用電流模式控制方案和簡單的LC外部濾波器，在10Hz至1MHz的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)了低于20μVrms的噪聲性能。ADP5014的輸出噪聲性能如圖7所示。

第三種噪聲是高頻尖峰和振鈴噪聲，因為輸出電壓是由開關(guān)調(diào)節(jié)器的導(dǎo)通或關(guān)斷瞬態(tài)引起的?？紤]硅電路和PCB走線中的寄生電感和電容；對于降壓調(diào)節(jié)器，快速電流瞬變會在SW節(jié)點引起高頻電壓尖峰和振鈴。并且峰值振鈴噪聲將隨著電流負載的增加而增加。圖8顯示了降壓調(diào)節(jié)器如何產(chǎn)生尖峰。根據(jù)開關(guān)調(diào)節(jié)器的開/關(guān)轉(zhuǎn)換速率，最高峰值和振鈴頻率將在20MHz至300MHz范圍內(nèi)。由于寄生電感和電容，輸出LC濾波器可能無法有效抑制。與上述所有關(guān)于導(dǎo)電路徑的討論相比，最糟糕的是來自SW和VIN節(jié)點的輻射噪聲。由于其頻率非常高，輸出電壓和其他模擬電路都會受到影響。

為了減少高頻尖峰和振鈴噪聲，建議采用有效的方法實現(xiàn)應(yīng)用和芯片設(shè)計。首先，應(yīng)在終端負載上使用額外的LC濾波器或磁珠。通常，這會使輸出端的峰值噪聲比紋波噪聲小得多，但會增加更高的頻率成分。其次，SW和輸入節(jié)點的噪聲源應(yīng)屏蔽或遠離輸出側(cè)和敏感模擬電路，輸出電感應(yīng)屏蔽。仔細的布局和布線對設(shè)計很重要。第三，優(yōu)化開關(guān)調(diào)節(jié)器的開關(guān)壓擺率，最小化開關(guān)調(diào)節(jié)器的寄生電感和電阻，從而有效降低SW節(jié)點噪聲。ADISilentSwitchr技術(shù)還有助于通過芯片設(shè)計降低VIN節(jié)點的噪聲。

PSRR反映了開關(guān)調(diào)節(jié)器抑制從輸入電源到輸出的噪聲傳輸?shù)哪芰Α１竟?jié)分析降壓調(diào)節(jié)器在低頻范圍內(nèi)的PSRR性能。高頻噪聲主要通過輻射路徑影響輸出電壓，而不是通過前面討論的傳導(dǎo)路徑。

結(jié)論:越來越多的模擬電路，如ADC/DAC、時鐘和PLL，需要大電流的清潔電源。在不同的頻率范圍內(nèi)，每個器件對電源噪聲有不同的要求和規(guī)格。需要充分了解不同類型開關(guān)穩(wěn)壓器的噪聲，認清電源的噪聲要求，從而設(shè)計實現(xiàn)高效率、低噪聲的開關(guān)穩(wěn)壓器，滿足大部分模擬電路電源的低噪聲規(guī)范。與LDO調(diào)節(jié)器相比，這種低噪聲開關(guān)解決方案將具有更高的功率效率比、更小的解決方案尺寸和更低的成本。

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