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稳压器噪声大,怎么轻松降噪呢?

发布日期:2022-09-03 00:00:00     作者:德力西旗舰店
摘要: ​一般来说,与低压差(LDO)调节器的输出相比,传统开关调节器的输出电压被认为是有噪声的。然而,LDO电压会引起严重的附加热问题

        一般来说,与低压差(LDO)调节器的输出相比,传统开关调节器的输出电压被认为是有噪声的。然而,LDO电压会引起严重的附加热问题,并使电源设计更加复杂。有必要充分了解开关调节器的噪声,这有助于设计低噪声开关解决方案,并使其具有与LDO调节器相同的低噪声性能。本文的目的是分析和评估电流模式控制的降压调节器,因为它是最常用的应用。信号分析是了解开关纹波噪声、电流宽带噪声(及其来源)特性和开关引起的高频尖峰噪声的主要方法。本文将讨论开关稳压器的PSRR(电源抑制比,对抑制输入噪声很重要)和信号分析方法。


开关纹波噪声


        本部分介绍了基于基波和谐波理论的buck变换器输出纹波的计算公式。根据开关调节器的拓扑结构和基本操作,纹波始终是开关调节器中的主要噪声,因为峰峰值电压幅度一般为几mV至几十mV。它应该被视为一个周期性的和可预测的信号。如果它工作在固定的开关频率,那么它很容易被时域的示波器或频域的傅里叶分解识别和测量。


        VIN是输入电压。d是占空比;对于降压调节器,它等于VOUT/VIN,确定VIN后,VSW的基波和谐波分量仅取决于占空比。图2显示了与占空比相关的VSW基波和谐波幅度。当占空比接近一半时,纹波幅度主要由基波决定。


        为了简化计算,我们假设输出LC级为20 dB/倍频程,后跟与占空比相关的VOUT纹波的基波和谐波幅度,如图3所示。当占空比接近一半时,三次或奇次谐波将高于偶次谐波。由于LC抑制,高次谐波的幅度较低,与总纹波幅度相比,其比例非常小。同样,基波幅度是开关调节器输出纹波的主要成分。


        对于降压调节器,基波幅度与输入电压、占空比、开关频率和LC级有关。然而,所有这些参数都会影响应用要求,例如效率和解决方案大小。为了进一步降低纹波,建议增加一个后置滤波器。


宽带噪声


        开关调节器中的宽带噪声是输出电压上的随机幅度噪声。可以用整个频率范围内的噪声密度来表示,单位为V/√Hz z,也可以用Vrms来表示,Vrms与频率范围内的密度密不可分。由于硅工艺和基准电压源滤波器设计的限制,宽带噪声主要存在于开关稳压器10Hz到1MHz的频率范围内,在低频范围内很难通过增加滤波器来降低。


        典型降压调节器宽带噪声的峰峰值电压约为100μV至1000μV,远低于开关纹波噪声。如果使用额外的滤波器来降低开关纹波噪声,宽带噪声可能会成为开关调节器输出电压的主要噪声。图4显示,没有附加滤波器时,降压调节器输出噪声的主要来源是开关纹波。图5显示,使用附加滤波器时,输出噪声的主要来源是宽带噪声。


        为了识别和分析开关调节器的输出宽带噪声,必须获得调节器控制方案和模块噪声信息。例如,图6显示了典型的电流模式降压调节器控制方案和模块噪声源注入。


        有两种不同的噪声:环路的输入噪声和环路中的噪声。控制环路带宽内的环路输入噪声将被传输到输出端,而环路带宽外的噪声将被衰减。对于开关调节器,设计低噪声EA和基准电压源非常重要,因为单位反馈增益将保持噪声水平不变,而不是随着输出电压水平的增加而增加。最大的挑战是找出整个系统中最大的噪声源,并在电路设计中降低它。ADP5014针对低噪声技术进行了优化。它采用电流模式控制方案和简单的LC外部滤波器,在10Hz至1MHz的频率范围内实现了低于20μVrms的噪声性能。ADP5014的输出噪声性能如图7所示。


        第三种噪声是高频尖峰和振铃噪声,因为输出电压是由开关调节器的导通或关断瞬态引起的。考虑硅电路和PCB走线中的寄生电感和电容;对于降压调节器,快速电流瞬变会在SW节点引起高频电压尖峰和振铃。并且峰值振铃噪声将随着电流负载的增加而增加。图8显示了降压调节器如何产生尖峰。根据开关调节器的开/关转换速率,最高峰值和振铃频率将在20MHz至300MHz范围内。由于寄生电感和电容,输出LC滤波器可能无法有效抑制。与上述所有关于导电路径的讨论相比,最糟糕的是来自SW和VIN节点的辐射噪声。由于其频率非常高,输出电压和其他模拟电路都会受到影响。


        为了减少高频尖峰和振铃噪声,建议采用有效的方法实现应用和芯片设计。首先,应在终端负载上使用额外的LC滤波器或磁珠。通常,这会使输出端的峰值噪声比纹波噪声小得多,但会增加更高的频率成分。其次,SW和输入节点的噪声源应屏蔽或远离输出侧和敏感模拟电路,输出电感应屏蔽。仔细的布局和布线对设计很重要。第三,优化开关调节器的开关压摆率,最小化开关调节器的寄生电感和电阻,从而有效降低SW节点噪声。ADISilentSwitchr技术还有助于通过芯片设计降低VIN节点的噪声。


        PSRR反映了开关调节器抑制从输入电源到输出的噪声传输的能力。本节分析降压调节器在低频范围内的PSRR性能。高频噪声主要通过辐射路径影响输出电压,而不是通过前面讨论的传导路径。


        结论:越来越多的模拟电路,如ADC/DAC、时钟和PLL,需要大电流的清洁电源。在不同的频率范围内,每个器件对电源噪声有不同的要求和规格。需要充分了解不同类型开关稳压器的噪声,认清电源的噪声要求,从而设计实现高效率、低噪声的开关稳压器,满足大部分模拟电路电源的低噪声规范。与LDO调节器相比,这种低噪声开关解决方案将具有更高的功率效率比、更小的解决方案尺寸和更低的成本。


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