全面剖析開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器噪聲,ADI教你如何輕松降噪
發(fā)布時(shí)間:2019-07-24 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】一般而言,與低壓差(LDO)穩(wěn)壓器輸出相比,人們認(rèn)為傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓噪聲很大。然而,LDO電壓會(huì)引起嚴(yán)重的額外熱問(wèn)題,并使得電源設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。全面認(rèn)識(shí)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器噪聲很有必要,有助于設(shè)計(jì)低噪聲開(kāi)關(guān)解決方案,使之產(chǎn)生與LDO穩(wěn)壓器相當(dāng)?shù)牡驮肼曅阅堋?/strong>
本文分析和評(píng)估的目標(biāo)是采用電流模式控制的降壓穩(wěn)壓器,因?yàn)樗趹?yīng)用中最常用。信號(hào)分析是了解開(kāi)關(guān)紋波噪聲、當(dāng)前寬帶噪聲特性(及其來(lái)源)、開(kāi)關(guān)引起的高頻尖峰噪聲的主要法。本文將討論開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器PSRR(電源抑制比,其對(duì)輸入噪聲抑制很重要)以及信號(hào)分析方法。
開(kāi)關(guān)紋波噪聲
本部分依據(jù)基波和諧波理論介紹降壓轉(zhuǎn)換器輸出紋波計(jì)算公式。根據(jù)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本操作,紋波始終是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的主要噪聲,因?yàn)榉宸逯惦妷悍纫话銥閹譵V到幾十mV。它應(yīng)被視為周期性且可預(yù)測(cè)的信號(hào)。如果以固定開(kāi)關(guān)頻率工作,則在時(shí)域中通過(guò)示波器,或在頻域中通過(guò)傅立葉分解,很容易將其識(shí)別并進(jìn)行測(cè)量。
圖1所示為典型的降壓穩(wěn)壓器。兩個(gè)開(kāi)關(guān)交替接通和斷開(kāi),因此SW節(jié)點(diǎn)電壓VSW是一個(gè)理想的方波,此特性進(jìn)而傳遞到占空比和輸入電壓。VSWVSW可以用下面的公式表示:
圖1. 降壓穩(wěn)壓器拓?fù)?/div>
其中:
VIN為輸入電壓。D為占空比;對(duì)于降壓穩(wěn)壓器,其等于 VOUT/VIN
VIN 確定后,The VSW基波和諧波成分僅取決于占空比。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(shí),紋波幅度以基波為主。
圖2. 降壓穩(wěn)壓器 VSWW幅度與占空比的關(guān)系
降壓穩(wěn)壓器輸出LC級(jí)傳遞函數(shù)如下:
其中,L為輸出電感值,DCR為電感電阻值,CL為電感并聯(lián)電容值。
COUT為輸出容量值。ESL為電容串聯(lián)電感值。ESR為電容串聯(lián)電阻值。
因此,VOUT可表示如下:
為了簡(jiǎn)化計(jì)算,我們假設(shè)輸出LC級(jí)為20 dB/十倍頻程,然后是與占空比相關(guān)的VOUT紋波基波和諧波幅度,如圖3所示。當(dāng)占空比接近一半時(shí),三次或奇數(shù)次諧波將高于偶數(shù)次諧波。由于LC抑制,較高的諧波將具有較低的幅度,并且與總紋波幅度相比,其比例非常小。同樣,基波幅度是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸出紋波中的主要成分。
圖3. 降壓穩(wěn)壓器VOUT紋波幅度與占空比的關(guān)系
對(duì)于降壓穩(wěn)壓器,基波幅度與輸入電壓、占空比、開(kāi)關(guān)頻率和LC級(jí)有關(guān);但是,所有這些參數(shù)都會(huì)影響應(yīng)用要求,如效率和解決方案尺寸等。為了進(jìn)一步降低紋波,建議增加后置濾波器。
寬帶噪聲
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中的寬帶噪聲是輸出電壓上的隨機(jī)幅度噪聲。它可以用整個(gè)頻率范圍內(nèi)的噪聲密度來(lái)表示,單位為 V/√Hz z,或用Vrms來(lái)表示,其與頻率范圍內(nèi)的密度不可分。由于硅工藝和基準(zhǔn)電壓源濾波器設(shè)計(jì)的限制,寬帶噪聲主要位于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的10Hz至1MHz頻率范圍內(nèi),在低頻范圍內(nèi)很難通過(guò)增加濾波器來(lái)將其降低。
典型降壓穩(wěn)壓器寬帶噪聲峰峰值幅度電壓約為100μV至1000μV,遠(yuǎn)低于開(kāi)關(guān)紋波噪聲。如果使用額外的濾波器來(lái)降低開(kāi)關(guān)紋波噪聲,則寬帶噪聲可能成為開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸出電壓的主要噪聲。圖4顯示了當(dāng)沒(méi)有額外濾波器時(shí),降壓穩(wěn)壓器輸出噪聲的主要來(lái)源是開(kāi)關(guān)紋波。圖5顯示了當(dāng)使用額外濾波器時(shí),輸出噪聲的主要來(lái)源是寬帶噪聲。
圖4. 無(wú)額外濾波器的VOUT
圖5. 有額外濾波器的VOUT(使用1000倍前置放大器進(jìn)行測(cè)量)
為了識(shí)別和分析開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器輸出寬帶噪聲,必須獲得穩(wěn)壓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穩(wěn)壓器控制方案和模塊噪聲源注入。
圖6. 典型電流模式降壓穩(wěn)壓器控制方案
對(duì)于獲得的控制環(huán)路傳遞函數(shù)和模塊噪聲特性信息,有兩種不同的噪聲:環(huán)路輸入噪聲和環(huán)內(nèi)噪聲??刂骗h(huán)路帶寬內(nèi)的環(huán)路輸入噪聲會(huì)傳輸?shù)捷敵觯h(huán)路帶寬之外的噪聲會(huì)被衰減。對(duì)于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,設(shè)計(jì)低噪聲EA和基準(zhǔn)電壓源至關(guān)重要,因?yàn)閱挝环答佋鲆鏁?huì)保持噪聲水平不變,而不是隨著輸出電壓電平增加而提高它。最大的挑戰(zhàn)是找出整個(gè)系統(tǒng)中最大的噪聲源,并在電路設(shè)計(jì)中降低該噪聲。ADP5014針對(duì)低噪聲技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,采用電流模式控制方案和一個(gè)簡(jiǎn)單的LC外部濾波器,在10Hz至1MHz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了低于20μVrms的噪聲性能。ADP5014的輸出噪聲性能如圖7所示。
圖7. 采用額外LC濾波器的ADP5014輸出噪聲性能。
高頻尖峰和振鈴
第三類(lèi)噪聲是高頻尖峰和振鈴噪聲,因?yàn)檩敵鲭妷菏怯砷_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器導(dǎo)通或關(guān)斷瞬變產(chǎn)生的??紤]硅電路和PCB走線(xiàn)中的寄生電感和電容;對(duì)于降壓穩(wěn)壓器,快速電流瞬變將在SW節(jié)點(diǎn)處引起高頻電壓尖峰和振鈴。尖峰和振鈴噪聲會(huì)隨著電流負(fù)載的提高而提高。圖8顯示了降壓穩(wěn)壓器如何形成尖峰。根據(jù)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的導(dǎo)通/關(guān)斷壓擺率,最高尖峰和振鈴頻率將在20MHz至300MHz范圍內(nèi),受寄生電感和電容影響,輸出LC濾波器在抑制方面可能不是非常有效。與上述關(guān)于傳導(dǎo)路徑的所有討論相比,最差的是來(lái)自SW和VIN節(jié)點(diǎn)的輻射噪聲,由于其頻率非常高,輸出電壓和其他模擬電路會(huì)受到影響。
圖8. 降壓穩(wěn)壓器高頻尖峰和振鈴噪聲
為了降低高頻尖峰和振鈴噪聲,建議采用有效方法實(shí)施應(yīng)用和芯片設(shè)計(jì)。首先,在終端負(fù)載上應(yīng)使用額外的LC濾波器或磁珠。通常,這會(huì)使輸出上的尖峰噪聲遠(yuǎn)小于紋波噪聲,但會(huì)增加更高頻率的成分。其次,應(yīng)屏蔽SW和輸入節(jié)點(diǎn)的噪聲源或讓其遠(yuǎn)離輸出側(cè)及敏感模擬電路,并且屏蔽輸出電感。精心布局和布線(xiàn)對(duì)設(shè)計(jì)很重要。第三,優(yōu)化開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的導(dǎo)通/關(guān)斷壓擺率,并盡量減小開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的寄生電感和電阻,從而有效降低SW節(jié)點(diǎn)噪聲。ADISilentSwitchr®技術(shù)也有助于通過(guò)芯片設(shè)計(jì)降低VIN節(jié)點(diǎn)噪聲。
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器PSRR
PSRR反映開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器抑制輸入電源噪聲傳輸?shù)捷敵龅哪芰?。本部分分析低頻范圍內(nèi)的降壓穩(wěn)壓器PSRR性能。高頻噪聲影響輸出電壓主要是通過(guò)輻射路徑,而不是通過(guò)前面討論的傳導(dǎo)路徑。
根據(jù)圖9所示的降壓小信號(hào)圖,降壓PSRR可以表示如下:
圖9. 從輸入電壓到輸出的電流模式降壓小信號(hào)圖。
其中:
將信號(hào)模式計(jì)算與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。小信號(hào)模式是有效的,與仿真結(jié)果一致。
T開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的PSRR性能取決于低頻范圍內(nèi)的環(huán)路增益性能。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的固有LC濾波器可以抑制中頻范圍(100Hz至10MHz)內(nèi)的輸入噪聲。此范圍內(nèi)的抑制性能比LDO PSRR好得多。因此,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有理想的PSRR性能,因?yàn)槠湓诘皖l時(shí)具有高環(huán)路增益,而固有LC濾波器會(huì)影響中頻范圍。
圖10. 采用降壓小信號(hào)模式的PSRR計(jì)算結(jié)果
圖11. SIMPLIS模式的PSRR仿真
結(jié)論
越來(lái)越多的模擬電路,如ADC/DAC、時(shí)鐘和PLL等,需要干凈的能提供高電流的電源。每個(gè)器件對(duì)不同頻率范圍內(nèi)的電源噪聲都有不同的要求和規(guī)格。有必要全面了解不同類(lèi)型的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器噪聲并認(rèn)知電源噪聲要求,從而設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高效率、低噪聲開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,以滿(mǎn)足大多數(shù)模擬電路電源的低噪聲規(guī)格。與LDO穩(wěn)壓器相比,這種低噪聲開(kāi)關(guān)解決方案將有更高的功效比、更小的解決方案尺寸和更低的成本。
推薦閱讀:
特別推薦
- 兆易創(chuàng)新GD32F30x STL軟件測(cè)試庫(kù)獲得德國(guó)萊茵TüV IEC 61508功能安全認(rèn)證
- 芯科科技第三代無(wú)線(xiàn)開(kāi)發(fā)平臺(tái)引領(lǐng)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展
- MSO 4B 示波器為工程師帶來(lái)更多臺(tái)式功率分析工具
- 艾為電子推出新一代高線(xiàn)性度GNSS低噪聲放大器——AW15745DNR
- 瑞薩發(fā)布四通道主站IC和傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)器, 以推動(dòng)不斷增長(zhǎng)的IO-Link市場(chǎng)
- e絡(luò)盟現(xiàn)貨供應(yīng) Abracon 新推出的 AOTA 系列微型鑄型電感器
- 加賀富儀艾電子推出支持Wi-Fi 6和藍(lán)牙的無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)/藍(lán)牙組合模塊
技術(shù)文章更多>>
- 讓汽車(chē)LED照明無(wú)死角,LED驅(qū)動(dòng)的全面進(jìn)化
- 開(kāi)關(guān)模式電源問(wèn)題分析及其糾正措施:晶體管時(shí)序和自舉電容問(wèn)題
- 熱電偶的測(cè)溫原理
- 【泰克先進(jìn)半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室】 遠(yuǎn)山半導(dǎo)體發(fā)布新一代高壓氮化鎵功率器件
- ADALM2000實(shí)驗(yàn):變壓器
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
- 車(chē)規(guī)與基于V2X的車(chē)輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車(chē)安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車(chē)模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車(chē)用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門(mén)搜索
SPANSION
SRAM
SSD
ST
ST-ERICSSON
Sunlord
SynQor
s端子線(xiàn)
Taiyo Yuden
TDK-EPC
TD-SCDMA功放
TD-SCDMA基帶
TE
Tektronix
Thunderbolt
TI
TOREX
TTI
TVS
UPS電源
USB3.0
USB 3.0主控芯片
USB傳輸速度
usb存儲(chǔ)器
USB連接器
VGA連接器
Vishay
WCDMA功放
WCDMA基帶
Wi-Fi
友情鏈接(QQ:317243736)
我愛(ài)方案網(wǎng) ICGOO元器件商城 創(chuàng)芯在線(xiàn)檢測(cè) 芯片查詢(xún) 天天IC網(wǎng) 電子產(chǎn)品世界 無(wú)線(xiàn)通信模塊 控制工程網(wǎng) 電子開(kāi)發(fā)網(wǎng) 電子技術(shù)應(yīng)用 與非網(wǎng) 世紀(jì)電源網(wǎng) 21ic電子技術(shù)資料下載 電源網(wǎng) 電子發(fā)燒友網(wǎng) 中電網(wǎng) 中國(guó)工業(yè)電器網(wǎng) 連接器 礦山設(shè)備網(wǎng) 工博士 智慧農(nóng)業(yè) 工業(yè)路由器 天工網(wǎng) 乾坤芯 電子元器件采購(gòu)網(wǎng) 亞馬遜KOL 聚合物鋰電池 工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備 企業(yè)查詢(xún) 工業(yè)路由器 元器件商城 連接器 USB中文網(wǎng) 今日招標(biāo)網(wǎng) 塑料機(jī)械網(wǎng) 農(nóng)業(yè)機(jī)械 中國(guó)IT產(chǎn)經(jīng)新聞網(wǎng) 高低溫試驗(yàn)箱
?
關(guān)閉
?
關(guān)閉