關(guān)于開(kāi)關(guān)電源噪聲控制方案介紹

談到“開(kāi)關(guān)電源”，最先產(chǎn)生的兩個(gè)本能反應(yīng)就是“高效”和“嘈雜”這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)。相反，比如說(shuō)“LDO”（低壓差穩(wěn)壓器），所使用的卻是“低效”和“安靜”這兩個(gè)相反的描述性術(shù)語(yǔ)。不可否認(rèn)，這些套話不假，但是對(duì)待起來(lái)卻要小心確認(rèn)：與大多數(shù)套話一樣，在某些條件和情況下也有例外。

當(dāng)然，即使是用作DC/DC穩(wěn)壓器的低噪聲開(kāi)關(guān)電源，也沒(méi)有線性穩(wěn)壓器那么安靜。然而，盡管開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)可能需要在某些直流電源軌上實(shí)現(xiàn)極低的噪聲，但其通常在功耗和運(yùn)行時(shí)間方面卻更要做系統(tǒng)級(jí)的考慮。這些領(lǐng)域包括敏感的低電平RF前端以及精確的高分辨率A/D轉(zhuǎn)換。

圖1：TPS62840的STOP模式工作——藍(lán)色是STOP引腳的輸入信號(hào)，紫紅色是輸出電壓，綠色是電感器電流，所有這些都是在（a）PFM工作和（b）強(qiáng)制PWM在Vin=3.6V、Vout=1.8V和Iout=10mA條件下測(cè)量得到的。測(cè)量結(jié)果包括Cout=10μF。（圖片來(lái)源：德州儀器）

對(duì)RF前端來(lái)說(shuō)，需要低噪聲時(shí)其占空比應(yīng)為100%，因此在由嘈雜的開(kāi)關(guān)電源供電的拓?fù)渲惺褂靡粋€(gè)本地LDO，可能就是明智之舉。此外，為防止引入噪聲，該前端的導(dǎo)軌可能需要濾波，以及仔細(xì)的PCB走線布局或分離的電源線布線。相反，對(duì)精確的A/D轉(zhuǎn)換來(lái)說(shuō)，僅在轉(zhuǎn)換周期本身期間才需要干凈的電源，因此就是間歇性的，并且通常更新速率固定。

不管轉(zhuǎn)換是“按需”完成還是正式和定期進(jìn)行，多年來(lái)一直使用的一種方法是在轉(zhuǎn)換周期內(nèi)關(guān)閉開(kāi)關(guān)電源，而使轉(zhuǎn)換電路“依靠”電容器提供的無(wú)噪聲電源工作。這當(dāng)然是可行的，但需要對(duì)轉(zhuǎn)換器的功率需求和轉(zhuǎn)換周期長(zhǎng)度進(jìn)行可靠的分析，才能正確確定電容器的尺寸。

有一些IC可以簡(jiǎn)化這種方法的實(shí)現(xiàn)。例如，德州儀器（TI）TPS62840是一款1.8V至6.5Vin

的高效750mA降壓開(kāi)關(guān)電源IC，它有一個(gè)封裝引腳可以控制“停止”（stop）功能，從而可以在消除開(kāi)關(guān)噪聲的同時(shí)允許電容器提供所需的功率（圖1）。它不能提供大量電流，但是對(duì)預(yù)期的用途來(lái)說(shuō)卻很好。TI最近在其博文“AdvantagesoftheSTOPfunctionforlow-noisedata-acquisitionapplications”中對(duì)此進(jìn)行了進(jìn)一步的討論。

顯然，這是一種有吸引力的解決方案，但是在與轉(zhuǎn)換有關(guān)的軟件中也需要小心。在電容器電壓下降影響工作之前的所有時(shí)間范圍內(nèi)，必須停止開(kāi)關(guān)電源，啟動(dòng)并完成轉(zhuǎn)換，并重新啟動(dòng)開(kāi)關(guān)功能。

同樣重要的是，為了確保潛在的bug或高優(yōu)先級(jí)中斷不會(huì)使stop或un-stop指令受到延遲，需要對(duì)軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹贫ê蜏y(cè)試。如果發(fā)生這種情況，則噪聲或其他難以再現(xiàn)的數(shù)據(jù)可能會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)換誤差，尤其是在該問(wèn)題是間歇性的情況下如此。實(shí)際上，可以通過(guò)給軟件增加另一負(fù)荷來(lái)消除噪聲。不然，可能就必須采用某種基于硬件的分立式定時(shí)器電路（不，價(jià)格低廉的555類定時(shí)器在這里可能不適用）。

圖2：LT8614和更嘈雜的LT8610的輻射發(fā)射與CISPR25B類輻射極限的比較。（圖片來(lái)源：ADI）

另一種方法是使用非常安靜的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，例如ADI公司的LT8614“SilentSwitcher”。這款42V、4A同步降壓開(kāi)關(guān)電源IC可以輕松超過(guò)嚴(yán)格的CISPR25輻射標(biāo)準(zhǔn)（

圖2），此外它對(duì)于直流電源軌本身還具有低于10mVP-P、獨(dú)立于負(fù)載電流的低噪聲特性。設(shè)計(jì)人員必須了解轉(zhuǎn)換過(guò)程中所發(fā)生的不期望噪聲中有多少是從DC/DC開(kāi)關(guān)電源輻射出來(lái)的，以及直流輸出軌上的紋波有多少是由噪聲引起的。

這些ADI公司“SilentSwitcher”的噪聲衰減還有一點(diǎn)也很有趣，但并不令人驚訝，那就是它們?nèi)绾未砹嗽噲D“竭力維持”最后一點(diǎn)性能改進(jìn)的現(xiàn)實(shí)。在大多數(shù)情況下，不存在單獨(dú)的“靈丹妙藥”可以猛地一下使噪聲大幅降低。取而代之的是，如

AnalogueDialogue文章“

SilentSwitcherDevicesAreQuietandSimple”和LTJournal文章“

SilentSwitcherMeetsCISPRClass5RadiatedEmissionsWhileMaintainingHighConversionEfficiency

”所述，更有可能是系統(tǒng)性地研究每個(gè)已知和可能尚未了解的噪聲源，而設(shè)法將其消除。

當(dāng)然，這種減少誤差源的方法并不新鮮。已故的模擬設(shè)計(jì)天才JimWilliams1976年在EDN發(fā)表的首批文章中的一篇“

This30-ppmscaleprovesthatanalogdesignsaren’tdeadyet

”就是一個(gè)極好的解釋。他的秤設(shè)計(jì)用于滿足一些非常激進(jìn)的目標(biāo)：它必須輕便，成本低，能在300.00的滿量程范圍中分辨0.01磅（即30ppm），永遠(yuǎn)不需要校準(zhǔn)或調(diào)整，并且具有0.02%以內(nèi)的絕對(duì)精度。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他研究了第一、第二甚至第三階誤差源，并使用各種策略有條不紊地解決了它們。盡管這篇文章已經(jīng)很老（已有將近50年?。?a target="_blank">元器件和技術(shù)發(fā)生了許多變化，但它所提供的基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)仍然有效。

您是否曾經(jīng)遇到過(guò)必須應(yīng)對(duì)嘈雜的直流電源軌，或工作環(huán)境不達(dá)標(biāo)，而無(wú)法進(jìn)行精確的A/D轉(zhuǎn)換和測(cè)量的情況？您是怎么處理的呢？是否有那么一步，借此就可以解決大多數(shù)或所有的問(wèn)題，還是您必須使用分層的方法？

原文刊登于EDN姊妹網(wǎng)站EETimes美國(guó)版。