穩壓器電流低怎麼解決（全面剖析開關穩壓器噪聲）

2023-07-30 03:43:05

一般而言，與低壓差(LDO)穩壓器輸出相比，人們認為傳統開關穩壓器的輸出電壓噪聲很大。然而，LDO電壓會引起嚴重的額外熱問題，並使得電源設計更加複雜。全面認識開關穩壓器噪聲很有必要，有助於設計低噪聲開關解決方案，使之產生與LDO穩壓器相當的低噪聲性能。本文分析和評估的目標是採用電流模式控制的降壓穩壓器，因為它在應用中最常用。信號分析是了解開關紋波噪聲、當前寬帶噪聲特性（及其來源）、開關引起的高頻尖峰噪聲的主要法。本文將討論開關穩壓器PSRR（電源抑制比，其對輸入噪聲抑制很重要）以及信號分析方法。

開關紋波噪聲

本部分依據基波和諧波理論介紹降壓轉換器輸出紋波計算公式。根據開關穩壓器拓撲結構和基本操作，紋波始終是開關穩壓器中的主要噪聲，因為峰峰值電壓幅度一般為幾mV到幾十mV。它應被視為周期性且可預測的信號。如果以固定開關頻率工作，則在時域中通過示波器，或在頻域中通過傅立葉分解，很容易將其識別並進行測量。

圖1所示為典型的降壓穩壓器。兩個開關交替接通和斷開，因此SW節點電壓VSW是一個理想的方波，此特性進而傳遞到佔空比和輸入電壓。VSWVSW可以用下面的公式表示：

其中：

VIN為輸入電壓。D為佔空比；對於降壓穩壓器，其等於 VOUT/VIN

VIN 確定後，The VSW基波和諧波成分僅取決於佔空比。圖2顯示了與佔空比相關的 VSW基波和諧波幅度。當佔空比接近一半時，紋波幅度以基波為主。

降壓穩壓器輸出LC級傳遞函數如下：

其中，L為輸出電感值，DCR為電感電阻值，CL為電感並聯電容值。

COUT為輸出容量值。ESL為電容串聯電感值。ESR為電容串聯電阻值。

因此，VOUT可表示如下：

為了簡化計算，我們假設輸出LC級為20 dB/十倍頻程，然後是與佔空比相關的VOUT紋波基波和諧波幅度，如圖3所示。當佔空比接近一半時，三次或奇數次諧波將高於偶數次諧波。由於LC抑制，較高的諧波將具有較低的幅度，並且與總紋波幅度相比，其比例非常小。同樣，基波幅度是開關穩壓器輸出紋波中的主要成分。

對於降壓穩壓器，基波幅度與輸入電壓、佔空比、開關頻率和LC級有關；但是，所有這些參數都會影響應用要求，如效率和解決方案尺寸等。為了進一步降低紋波，建議增加後置濾波器。

寬帶噪聲

開關穩壓器中的寬帶噪聲是輸出電壓上的隨機幅度噪聲。它可以用整個頻率範圍內的噪聲密度來表示，單位為 V/√Hz z，或用Vrms來表示，其與頻率範圍內的密度不可分。由於矽工藝和基準電壓源濾波器設計的限制，寬帶噪聲主要位於開關穩壓器的10Hz至1MHz頻率範圍內，在低頻範圍內很難通過增加濾波器來將其降低。

典型降壓穩壓器寬帶噪聲峰峰值幅度電壓約為100μV至1000μV，遠低於開關紋波噪聲。如果使用額外的濾波器來降低開關紋波噪聲，則寬帶噪聲可能成為開關穩壓器輸出電壓的主要噪聲。圖4顯示了當沒有額外濾波器時，降壓穩壓器輸出噪聲的主要來源是開關紋波。圖5顯示了當使用額外濾波器時，輸出噪聲的主要來源是寬帶噪聲。

為了識別和分析開關穩壓器輸出寬帶噪聲，必須獲得穩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壓器控制方案和模塊噪聲源注入。

對於獲得的控制環路傳遞函數和模塊噪聲特性信息，有兩種不同的噪聲：環路輸入噪聲和環內噪聲。控制環路帶寬內的環路輸入噪聲會傳輸到輸出，而環路帶寬之外的噪聲會被衰減。對於開關穩壓器，設計低噪聲EA和基準電壓源至關重要，因為單位反饋增益會保持噪聲水平不變，而不是隨著輸出電壓電平增加而提高它。最大的挑戰是找出整個系統中最大的噪聲源，並在電路設計中降低該噪聲。ADP5014針對低噪聲技術進行了優化，採用電流模式控制方案和一個簡單的LC外部濾波器，在10Hz至1MHz頻率範圍內實現了低於20μVrms的噪聲性能。ADP5014的輸出噪聲性能如圖7所示。

高頻尖峰和振鈴

第三類噪聲是高頻尖峰和振鈴噪聲，因為輸出電壓是由開關穩壓器導通或關斷瞬變產生的。考慮矽電路和PCB走線中的寄生電感和電容；對於降壓穩壓器，快速電流瞬變將在SW節點處引起高頻電壓尖峰和振鈴。尖峰和振鈴噪聲會隨著電流負載的提高而提高。圖8顯示了降壓穩壓器如何形成尖峰。根據開關穩壓器的導通/關斷壓擺率，最高尖峰和振鈴頻率將在20MHz至300MHz範圍內，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。與上述關於傳導路徑的所有討論相比，最差的是來自SW和VIN節點的輻射噪聲，由於其頻率非常高，輸出電壓和其他模擬電路會受到影響。

為了降低高頻尖峰和振鈴噪聲，建議採用有效方法實施應用和晶片設計。首先，在終端負載上應使用額外的LC濾波器或磁珠。通常，這會使輸出上的尖峰噪聲遠小於紋波噪聲，但會增加更高頻率的成分。其次，應屏蔽SW和輸入節點的噪聲源或讓其遠離輸出側及敏感模擬電路，並且屏蔽輸出電感。精心布局和布線對設計很重要。第三，優化開關穩壓器的導通/關斷壓擺率，並儘量減小開關穩壓器的寄生電感和電阻，從而有效降低SW節點噪聲。ADISilentSwitchr®技術也有助於通過晶片設計降低VIN節點噪聲。

開關穩壓器PSRR

PSRR反映開關穩壓器抑制輸入電源噪聲傳輸到輸出的能力。本部分分析低頻範圍內的降壓穩壓器PSRR性能。高頻噪聲影響輸出電壓主要是通過輻射路徑，而不是通過前面討論的傳導路徑。

根據圖9所示的降壓小信號圖，降壓PSRR可以表示如下：

其中：

將信號模式計算與仿真結果進行比較。小信號模式是有效的，與仿真結果一致。

T開關穩壓器的PSRR性能取決於低頻範圍內的環路增益性能。開關穩壓器的固有LC濾波器可以抑制中頻範圍（100Hz至10MHz）內的輸入噪聲。此範圍內的抑制性能比LDO PSRR好得多。因此，開關穩壓器具有理想的PSRR性能，因為其在低頻時具有高環路增益，而固有LC濾波器會影響中頻範圍。

結論

越來越多的模擬電路，如ADC/DAC、時鐘和PLL等，需要乾淨的能提供高電流的電源。每個器件對不同頻率範圍內的電源噪聲都有不同的要求和規格。有必要全面了解不同類型的開關穩壓器噪聲並認知電源噪聲要求，從而設計和實現高效率、低噪聲開關穩壓器，以滿足大多數模擬電路電源的低噪聲規格。與LDO穩壓器相比，這種低噪聲開關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。

專注電子工程技術

EDA365（http://www.eda365.com/）平臺成立於2006年，中國最大的互連設計專業論壇。整合電子產品開發所需用的設計工具、實際設計知識，以及豐富的工程技術設計和測試案例實踐等諸多方面經驗，為工程師提供設計培訓演練、解疑答惑、就業實習、升級求職以及設計外包等專業服務。專注電子工程師能力提升和價值體現，是最具人氣的電子工程師互動社區。