全面认识开关稳压器噪声,如何利用电流模式控制降压稳压器?

2019-07-24 15:54:30 来源:亚德诺半导体
标签:
开关   ADI

一般而言,与低压差(LDO)稳压器输出相比,人们认为传统开关稳压器的输出电压噪声很大。然而,LDO电压会引起严重的额外热问题,并使得电源设计更加复杂。全面认识开关稳压器噪声很有必要,有助于设计低噪声开关解决方案,使之产生与LDO稳压器相当的低噪声性能。本文分析?#25512;?#20272;的目标是采用电流模式控制的降压稳压器,因为它在应用中最常用。信号分析是了解开关纹波噪声、当前宽带噪声特性(及其来源)、开关引起的高频尖峰噪声的主要法。本文将讨论开关稳压器PSRR(电源抑制比,其对输入噪声抑制很重要)以及信号分析方法。

 

开关纹波噪声

本部分依据基波和谐波理论介绍降压转换器输出纹波计算公式。根据开关稳压器拓扑结?#36141;?#22522;本操作,纹波始终是开关稳压器中的主要噪声,因为峰峰值电压幅度一般为几mV到几十mV。它应被视为周期性且可预测的信号。如果以固定开关频?#20351;?#20316;,则在时域中通过示波器,或在频域中通过傅立叶分解,很容易将其识别并进行测量。

 

图1所示为典型的降压稳压器。两个开关交替接通和断开,因此SW节点电压VSW是一个理想的方波,此特性进而传递到占空比和输入电压。VSWVSW可以用下面的公式表示:

 

 

图1. 降压稳压器拓扑

 

其中:

VIN为输入电压。D为占空比;?#26434;?#38477;压稳压器,其等于 VOUT/VIN

VIN 确定后,The VSW基波和谐波成分仅取决于占空比。图2显示了与占空?#35748;?#20851;的 VSW基波和谐波幅度。当占空比接近一半时,纹波幅度以基波为主。

 

图2. 降压稳压器 VSWW幅度与占空比的关系

 

降压稳压器输出LC级传递函数如下:

 

 

其中,L为输出电感值,DCR为电感电阻值,CL为电感并联电容值。

 

COUT为输出容量值。ESL为电容串联电感值。ESR为电容串联电阻值。

 

因此,VOUT可表示如下:

 

 

为了简化计算,我们假设输出LC级为20 dB/十倍频程,然后是与占空?#35748;?#20851;的VOUT纹波基波和谐波幅度,如图3所示。当占空比接近一半时,三?#20301;?#22855;数次谐波将高于偶数次谐波。由于LC抑制,较高的谐波将具有较低的幅度,并且与总纹波幅?#35748;?#27604;,其比例非常小。同样,基波幅度是开关稳压器输出纹波中的主要成分。

 

图3. 降压稳压器VOUT纹波幅度与占空比的关系

 

?#26434;?#38477;压稳压器,基波幅度与输入电压、占空比、开关频率和LC级有关;但是,所有这些?#38382;?#37117;会影响应用要求,如效率和解决方案尺寸等。为了进一步降低纹波,建议增加后置滤波器。

 

宽带噪声

开关稳压器中的宽带噪声是输出电压上的随机幅度噪声。它可以用整个频率范围内的噪声密度来表示,单位为 V/√Hz z,或用Vrms来表示,其与频率范围内的密度不可分。由于硅工艺和基准电压源滤波器设计的限制,宽带噪声主要位于开关稳压器的10Hz至1MHz频率范围内,在低频范围内很难通过增加滤波器来将其降低。

 

典型降压稳压器宽带噪声峰峰值幅度电压约为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,则宽带噪声可能成为开关稳压器输出电压的主要噪声。图4显示了当没有额外滤波器时,降压稳压器输出噪声的主要来源是开关纹波。图5显示了当使用额外滤波器时,输出噪声的主要来源是宽带噪声。

 

图4. 无额外滤波器的VOUT

 

图5. 有额外滤波器的VOUT(使用1000倍前置放大器进行测量)

 

为了识别和分析开关稳压器输出宽带噪声,必须获得稳压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稳压器控制方案和模块噪声源注入。

 

图6. 典型电流模式降压稳压器控制方案

 

?#26434;?#33719;得的控制环路传递函数和模块噪声特性信息,有两种不同的噪声:环路输入噪声和环内噪声。控制环路带宽内的环路输入噪声会传输到输出,而环路带宽之外的噪声会被衰减。?#26434;?#24320;关稳压器,设计低噪声EA和基准电压源至关重要,因为单位反馈增益会保持噪声水平不变,而不是随着输出电压电平增加而提高它。最大的挑战是找出整个?#20302;?#20013;最大的噪声源,并在电路设计中降低该噪声。ADP5014针对低噪声技术进行了优化,采用电流模式控制方案和一个简单的LC外部滤波器,在10Hz至1MHz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。

 

图7. 采用额外LC滤波器的ADP5014输出噪声性能。

 

高频尖峰和振铃

第三类噪声是高频尖峰和振铃噪声,因为输出电压是由开关稳压器导通或关断瞬变产生的。考虑硅电路和PCB走线中的寄生电感和电容;?#26434;?#38477;压稳压器,快速电流瞬变将在SW节点处引起高频电压尖峰和振铃。尖峰和振铃噪声会随着电流负载的提高而提高。图8显示了降压稳压器如何形成尖峰。根据开关稳压器的导通/关断压摆率,最高尖峰和振铃频?#24335;?#22312;20MHz至300MHz范围内,受寄生电感和电容影响,输出LC滤波器在抑制方面可能不是非常有效。与上述关于传导路径的所有讨论相比,最差的是来自SW和VIN节点的辐射噪声,由于其频率非常高,输出电压?#25512;?#20182;模拟电路会受到影响。

 

图8. 降压稳压器高频尖峰和振铃噪声

 

为了降低高频尖峰和振铃噪声,建议采用有效方法实施应用和芯片设计。首先,在终端负载上应使用额外的LC滤波器或磁珠。通常,这会使输出上的尖峰噪声远小于纹波噪声,但会增加更高频率的成分。其次,应屏蔽SW和输入节点的噪声源或让其远离输出侧及敏感模拟电路,并且屏蔽输出电?#23567;?#31934;心布局和布线对设计很重要。第三,优化开关稳压器的导通/关断压摆率,并尽量减小开关稳压器的寄生电感和电阻,从而有效降低SW节点噪声。ADISilentSwitchr®技术也有助于通过芯片设计降低VIN节点噪声。

 

开关稳压器PSRR

PSRR反映开关稳压器抑制输入电源噪声传输到输出的能力。本部分分析低频范围内的降压稳压器PSRR性能。高频噪声影响输出电压主要是通过辐射路径,而不是通过前面讨论的传导路径。

 

根据图9所示的降压小信号图,降压PSRR可以表示如下:

 

 

图9. 从输入电压到输出的电流模式降压小信号图。

 

其中:

 

 

将信号模式计算与仿真结果进行比较。小信号模式是有效?#27169;?#19982;仿真结果一致。

 

T开关稳压器的PSRR性能取决于低频范围内的环路增益性能。开关稳压器的固有LC滤波器可以抑制中频范围(100Hz至10MHz)内的输入噪声。此范围内的抑制性能比LDO PSRR好得多。因此,开关稳压器具有理想的PSRR性能,因为其在低频?#26412;?#26377;高环路增益,而固有LC滤波器会影响中频范围。

 

图10. 采用降压小信号模式的PSRR计算结果

 

图11. SIMPLIS模式的PSRR仿真

 

结论

越来越多的模拟电路,如ADC/DAC、时钟和PLL等,需要干净的能提供高电流的电源。每个器件对不同频率范围内的电源噪声?#21152;?#19981;同的要求和规格。有必要全面了解不同类型的开关稳压器噪声并认知电源噪声要求,从而设计和实现高效率、低噪声开关稳压器,?#26376;?#36275;大多数模拟电路电源的低噪声规格。与LDO稳压器相比,这种低噪声开关解决方案将有更高的功效比、更小的解决方案尺寸和更低的成本。

 
关注与非网微信 ( ee-focus )
限量版产业观察、行业动态、技术大餐每日推荐
享受快时代的精品慢阅读
 

 

继续阅读
烟雾报警?#20302;?.0

随着美国保险商实验室(UL)出台新规定,烟雾报警器标?#21152;?#20102;很大的提高。例如,烟雾报警器现在必须能够识别出官方汉堡包燃烧测试和以聚氨酯等烟雾形式存在的?#23548;?#23041;胁之间的细微差别。使用单色光源的传统烟雾报警器无法做到这一点,因此开发了新的解决方案ADPD188BI。

适用于通信应用的高压升压和反相转换器解决方案
适用于通信应用的高压升压和反相转换器解决方案

电子通信领域正迅速扩展到日常生活的各个方面。检测、传输和接收数据都需要使用大量器件,例如光纤传感器、RF MEMS、PIN二极管、APD、激光二极管、高压DAC等等。在许多情况下,这些器件需要几百伏的电压才能运行,因此需要使用 DC-DC转换器,?#26376;?#36275;严格的效率、空间?#32479;?#26412;要求。

物联网如何落地?#31354;?#20123;应用或许可以借鉴

物联网话题经过前几年的热炒后逐渐归于平静,由于智能家居等?#35856;?#20302;于业界预期的速度甚至让一部分怀疑论甚嚣尘上。

5G 全球拉开落地大幕,其中的射频技术如何做好?

当年初还有媒体还在怀疑5G在全球落地进展可能并不如预期时,韩国和美国很快就争先恐后在4月宣布5G正式商用迅速揭开5G行业落地的大幕。而近日中国工信部向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电正式发放5G商用牌照,更被认为是全球5G发展的标志性事件。

基于状态的?#20302;?#30417;测?#20302;?#35774;计
基于状态的?#20302;?#30417;测?#20302;?#35774;计

任何深谙设备维护必要性的人都知道,设备发出的声音和振动有多重要。通过声音和振动进行适当的设备健?#23548;?#27979;,可以将维护成本降低一半,使用寿命?#26144;?#19968;倍。实现实时声学数据和分析是另一种重要的基于状态的?#20302;?#30417;测 (CbM) 方法。

更多资讯
储能?#35856;?#25104;贸易战新“灾区?#20445;?#32654;国制造商没能幸免

近日,有美?#22870;?#31034;,储能?#35856;?#23558;成为特朗普贸易?#38477;?#26368;新影响领域。我们了解到,特朗普对部分中国商品关税的征收推迟到了12月15日,这类产品包括“手机、?#22987;?#26412;电脑、视频游戏机、某些玩具、电脑显示器以及某些鞋类和服装”

印度?#33455;?#21592;开发出铁离子充电电池,能量密度为锂离子电池的60%

印度?#33455;?#20154;?#27604;?#21069;宣布开发出一种可充电的铁离子电池,它以低?#20960;?#20026;阳极,具备性价比高、可储存电量高等优势。

充电桩混?#33402;?#22842;战

疯狂背后,野蛮扩张、粗放运营、分布不均、利用率低等顽?#39184;?#26174;,整个行业?#37096;?#20110;在盈利模式上难以实现突破。

布局音频?#35856;。?#27719;顶科技宣布收购恩智浦语音及音频应用解决方案业务

全球知名的芯片设计与软件开发整体应用解决方案提供商汇顶科技(SH: 603160)宣布收购恩智浦半导体(NASDAQ: NXPI)的音频应用解决方案业务(Voice and Audio Solutions,简称VAS),目前双方已就收购达成最?#25307;?#35758;,VAS业务相关的所有资产、知识产权、?#20998;?#21644;亚洲的研发团队都将并入汇顶科技。

秉承三个是否理念,中环股份发布光伏产业新一代产品
秉承三个是否理念,中环股份发布光伏产业新一代产品

8月16日,中环股份“协众力、共创新、?#35745;?#31435;”新品发布会在天津举行。中环股份董事长沈浩平在致辞中表示,中环股份一直?#24247;?#21019;业者精神,秉?#23567;?#21542;定现有产品、否定现有技术、否定先有自我”的理念,本着服务客户、专注主业的专业精神,在生产制造方式、品质控制、技术创新等领域实现突破

王牌战士什么时候开服
三分赛车单双计划软件 中国5分彩骗局 天天捕鱼免费版 北京快乐8软件手机版 今日体彩宁夏11选5开奖全部结果 浙江省体彩6十1开奖结果查询 江西时时组六走势 玩极速时时是骗局吗 足球任选9场奖金一般多少 tc三分赛