全面了解和分析開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲

本文將介紹幾種不同類型的固有開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲：開關(guān)紋波、寬帶噪聲和高頻尖峰。還將討論和分析與輸入噪聲抑制相關(guān)的開關(guān)穩(wěn)壓器的 PSRR。在設(shè)計低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器時，全面了解開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲非常重要，這樣可以去除后 LDO 穩(wěn)壓器，從而提高電源轉(zhuǎn)換器效率、節(jié)省解決方案尺寸并降低設(shè)計成本。

介紹

一般來說，與低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器輸出相比，傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓噪聲很大。但是，LDO 電壓會導(dǎo)致嚴(yán)重的額外熱問題，并使電源設(shè)計更加復(fù)雜。對開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲的全面認(rèn)識是必要的，并且有助于設(shè)計低噪聲開關(guān)解決方案以產(chǎn)生與 LDO 穩(wěn)壓器相同水平的低噪聲性能。具有電流模式控制的降壓穩(wěn)壓器是分析和評估目標(biāo)，因為它是應(yīng)用中最常用的。信號分析是用于了解開關(guān)紋波噪聲、當(dāng)前寬帶噪聲特性及其來源以及開關(guān)引起的高頻尖峰噪聲的主要方法。

開關(guān)紋波噪聲

本節(jié)介紹與基波和諧波理論相關(guān)的降壓轉(zhuǎn)換器輸出紋波計算公式。

根據(jù)開關(guān)穩(wěn)壓器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基本操作，紋波始終是開關(guān)穩(wěn)壓器中的主要噪聲，因為峰峰值電壓幅度通常為幾 mV 到幾十 mV。它應(yīng)該被認(rèn)為是一個周期性和可預(yù)測的信號。如果它工作在固定的開關(guān)頻率上，則可以通過時域的振蕩范圍或頻域的傅里葉分解來輕松識別和測量。

圖 1 是典型的降壓穩(wěn)壓器。由于兩個開關(guān)交替打開和關(guān)閉，SW 節(jié)點電壓 VSW 是一個理想的方波，它與占空比和輸入電壓有關(guān)，VSW 可以用以下等式表示。

在哪里：

VIN 是輸入電壓。D 是占空比，對于降壓穩(wěn)壓器，它等于 VOUT/VIN。

確定 VIN 時，VSW 基波和諧波分量僅取決于占空比。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，基波主導(dǎo)紋波幅度。

降壓穩(wěn)壓器 VSW 幅度與占空比

降壓穩(wěn)壓器輸出 LC 級傳遞函數(shù)如下：

為了簡化計算，我們假設(shè)輸出 LC 級每十倍頻為 20 dB，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。三次諧波或奇次諧波將高于占空比接近一半時的偶次諧波。由于 LC 抑制，高次諧波將具有較低的幅度，并且與總紋波幅度相比比例非常小。同樣，基波幅度是開關(guān)穩(wěn)壓器輸出紋波中的主要成分。

降壓穩(wěn)壓器 V OUT 紋波幅度與占空比。

對于降壓穩(wěn)壓器，基波幅度將與輸入電壓、占空比、開關(guān)頻率和 LC 級有關(guān)；然而，所有這些參數(shù)都會影響應(yīng)用程序的要求，例如效率和解決方案的大小。為了進(jìn)一步減少紋波，建議使用額外的后置濾波器。

寬帶噪聲

開關(guān)穩(wěn)壓器中的寬帶噪聲是輸出電壓上的隨機幅度噪聲。它可以通過頻率范圍內(nèi)的噪聲密度

或 V rms 來表示，它是頻率跨度內(nèi)密度的一個組成部分。由于硅工藝和參考濾波器設(shè)計的限制，寬帶噪聲主要位于開關(guān)穩(wěn)壓器的 10 Hz 至 1 MHz 頻率范圍內(nèi)，這很難通過在低頻范圍內(nèi)增加濾波器來降低。

典型的降壓穩(wěn)壓器寬帶噪聲峰峰值幅度電壓約為 100 μV 至 1000 μV，遠(yuǎn)低于開關(guān)紋波噪聲。如果您使用額外的濾波器來降低開關(guān)紋波噪聲，那么寬帶噪聲可能會成為開關(guān)穩(wěn)壓器輸出電壓中的主要噪聲。圖 4 表明，當(dāng)沒有額外的濾波器時，降壓穩(wěn)壓器輸出噪聲的主要來源是開關(guān)紋波。圖 5 顯示，當(dāng)使用附加濾波器時，輸出噪聲的主要來源是寬帶噪聲。

V OUT 無需額外的濾波器。

V OUT 帶有一個額外的濾波器（使用 1000× 前置放大器進(jìn)行測量）。

要識別和分析開關(guān)穩(wěn)壓器輸出寬帶噪聲，需要有穩(wěn)壓器控制方案和阻斷噪聲信息。例如，圖 6 是典型的電流模式降壓穩(wěn)壓器控制方案和阻止噪聲源注入。

典型的電流模式降壓穩(wěn)壓器控制方案。

通過獲得的控制環(huán)路傳遞函數(shù)和塊噪聲特性，有兩種不同的噪聲：環(huán)路輸入噪聲和環(huán)路內(nèi)噪聲。環(huán)路輸入噪聲將在控制環(huán)路帶寬內(nèi)傳輸?shù)捷敵龆?，而噪聲在環(huán)路帶寬外會衰減。為開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計低噪聲 EA 和基準(zhǔn)至關(guān)重要，因為單位反饋增益將保持噪聲水平，而不是隨著輸出電壓水平的增加而增加。最大的挑戰(zhàn)是在整個系統(tǒng)中挖掘出最大的噪聲源并在電路設(shè)計中減少它。ADP5014 _針對低噪聲技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，采用電流模式控制方案和一個簡單的 LC 外部濾波器，在 10 Hz 至 1 MHz 頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)低于 20 μV rms 的噪聲性能。ADP5014 輸出噪聲性能如圖 7 所示。

ADP5014 具有附加 LC 濾波器的輸出噪聲性能。

高頻尖峰和振鈴

第三種噪聲是高頻尖峰和振鈴噪聲，因為輸出電壓是由開關(guān)開關(guān)的開啟或關(guān)閉瞬態(tài)產(chǎn)生的?？紤]硅電路和PCB走線中的寄生電感和電容；快速電流瞬變將在降壓穩(wěn)壓器的 SW 節(jié)點處引起非常高頻的電壓尖峰和振鈴。尖峰和振鈴噪聲將隨著更高的電流負(fù)載而增加。圖 8 顯示了降壓穩(wěn)壓器的尖峰是如何形成的。根據(jù)開關(guān)的開啟/關(guān)閉壓擺率，最高尖峰和振鈴頻率將在 20 MHz 至 300 MHz 范圍內(nèi)，因此輸出 LC 濾波器由于其寄生電感器和電容器而在抑制方面可能不是很有效。與以上所有關(guān)于導(dǎo)電路徑的討論相比，最糟糕的是來自 SW 和 VIN 節(jié)點的輻射噪聲，

降壓穩(wěn)壓器高頻尖峰和振鈴噪聲。

為了減少高頻尖峰和振鈴噪聲，建議有效實施應(yīng)用和硅設(shè)計。首先，在負(fù)載點使用額外的 LC 過濾器或磁珠。通常這會使輸出上的尖峰噪聲比紋波噪聲小得多，但這個決定會增加更高的頻率分量。其次，從輸出側(cè)和敏感的模擬電路屏蔽或遠(yuǎn)離SW和輸入節(jié)點的噪聲源，屏蔽輸出電感。仔細(xì)的布局設(shè)計和布局將很重要。第三，優(yōu)化開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)壓擺率，最大限度地降低開關(guān)的寄生電感和電阻，有效降低SW節(jié)點噪聲。ADI Silent Switcher ?技術(shù)還有助于通過硅設(shè)計降低 VIN 節(jié)點噪聲。

開關(guān)穩(wěn)壓器 PSRR

PSRR 代表了開關(guān)穩(wěn)壓器從輸入電源噪聲到輸出的抑制能力。本節(jié)分析降壓穩(wěn)壓器在低頻范圍內(nèi)的 PSRR 性能。甚高頻噪聲主要通過輻射路徑而不是之前討論的導(dǎo)電路徑影響輸出電壓。

從輸入電壓到輸出的電流模式降壓小信號圖。

根據(jù)圖 9 中的降壓小信號圖，降壓 PSRR 可以表示為

F m 是斜率增益

F g 是控制的輸入電壓

R cs 是電流檢測增益

Z o （ s ） 是輸出電容和負(fù)載

T v （ s ） 是循環(huán)傳遞函數(shù)

使用降壓小信號模式的 PSRR 計算結(jié)果。

通過 SIMPLIS 模式進(jìn)行 PSRR 仿真。

將信號模式計算與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。小信號模式有效且與仿真結(jié)果相匹配。

開關(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。開關(guān)穩(wěn)壓器具有固有的 LC 濾波器，可以抑制中頻范圍（100 Hz 至 10 MHz）的輸入噪聲。在這些范圍內(nèi)，這將比 LDO PSRR 好得多。因此，開關(guān)穩(wěn)壓器因其在低頻的高環(huán)路增益而具有完美的 PSRR 性能，而固有的 LC 濾波器會影響中頻范圍。

結(jié)論

越來越多的模擬電路，例如 ADC/DAC、時鐘和 PLL，需要具有大電流的清潔電源。每個設(shè)備對不同頻率范圍內(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的開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲類型并確認(rèn)電源噪聲要求，以便設(shè)計和實現(xiàn)高效且低噪聲的開關(guān)穩(wěn)壓器，以滿足大多數(shù)模擬電路電源的低噪聲規(guī)范。與 LDO 穩(wěn)壓器相比，這種低噪聲開關(guān)解決方案將具有更高的功率效率、更小的解決方案尺寸和更低的成本。

審核編輯：郭婷