全面了解和分析開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲

抽象

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。還將討論和分析開關(guān)穩(wěn)壓器的PSRR，因?yàn)樗鼈兣c輸入噪聲抑制有關(guān)。在設(shè)計(jì)低噪聲開關(guān)穩(wěn)壓器時(shí)，全面了解開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲非常重要，這樣才能去除LDO后置穩(wěn)壓器，從而提高功率轉(zhuǎn)換器效率，節(jié)省解決方案尺寸并降低設(shè)計(jì)成本。

介紹

通常，與低壓差（LDO）穩(wěn)壓器輸出相比，傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器被認(rèn)為輸出電壓噪聲很大;然而，LDO電壓會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的額外熱問題，并使電源設(shè)計(jì)更加復(fù)雜。全面識(shí)別開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲是必要的，有助于設(shè)計(jì)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(píng)估目標(biāo)，因?yàn)樗菓?yīng)用中最常用的穩(wěn)壓器。信號(hào)分析是了解開關(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。將討論開關(guān)穩(wěn)壓器PSRR（電源抑制比）以及信號(hào)分析方法，該方法對(duì)輸入噪聲抑制非常重要。

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(jì)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?yàn)榉宸逯惦妷悍韧ǔ閹譵V至幾十mV。它應(yīng)該被認(rèn)為是一個(gè)周期性和可預(yù)測(cè)的信號(hào)。如果它工作在固定的開關(guān)頻率上，則可以通過時(shí)域振蕩示波器或頻域中的傅里葉分解輕松識(shí)別和測(cè)量。

圖1為典型的降壓穩(wěn)壓器。由于兩個(gè)開關(guān)交替打開和關(guān)閉，SW節(jié)點(diǎn)電壓VSW是理想的方波，它繼電器占空比和輸入電壓，VSW可以用下面的公式表示。

哪里：

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

確定VIN時(shí)，VSW基波和諧波分量?jī)H取決于占空比。圖2顯示了VSW基波和諧波幅度與占空比的關(guān)系。當(dāng)占空比接近一半時(shí)，基波主導(dǎo)紋波幅度。

降壓穩(wěn)壓器VSW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是輸出電感值，DCR是電感電阻值，CL是電感并聯(lián)容量值。

COUT 是輸出容量值。ESL是容量串聯(lián)電感。ESR是容量串聯(lián)電阻值。

因此，VOUT可以表示如下：

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，我們假設(shè)輸出LC級(jí)每十倍頻程20 dB，然后VOUT紋波基波和諧波幅度與占空比的關(guān)系，如圖3所示。當(dāng)占空比接近一半時(shí)，三次或奇次諧波將高于偶次諧波。由于LC抑制，較高的諧波幅度較低，與總紋波幅度相比比例相當(dāng)小。同樣，基波幅度是開關(guān)穩(wěn)壓器輸出紋波的主要成分。

降壓穩(wěn)壓器 V外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，如效率和解決方案大小。為了進(jìn)一步降低紋波，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(jī)幅度噪聲。它可以用過頻噪聲

密度或V rms表示，V rms是頻率范圍內(nèi)密度的積分。由于硅工藝和參考濾波器設(shè)計(jì)的限制，開關(guān)穩(wěn)壓器的寬帶噪聲主要位于10 Hz至1 MHz的頻率范圍內(nèi)，在低頻范圍內(nèi)通過額外的濾波器很難降低。

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)小于開關(guān)紋波噪聲。如果使用額外的濾波器來降低開關(guān)紋波噪聲，則寬帶噪聲可能成為開關(guān)穩(wěn)壓器輸出電壓中的主要噪聲。圖4所示為降壓穩(wěn)壓器輸出噪聲的主要來源是沒有額外濾波器時(shí)的開關(guān)紋波。圖5顯示，使用附加濾波器時(shí)，輸出噪聲的主要來源是寬帶噪聲。

V外無需額外的過濾器。

V外帶有一個(gè)額外的濾波器（使用1000×前置放大器進(jìn)行測(cè)量）。

為了識(shí)別和分析開關(guān)穩(wěn)壓器輸出寬帶噪聲，必須有穩(wěn)壓器控制方案和塊噪聲信息。例如，圖6是典型的電流模式降壓穩(wěn)壓器控制方案和阻斷噪聲源注入。

典型的電流模式降壓穩(wěn)壓器控制方案。

通過采集控制環(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)部噪聲。環(huán)路輸入噪聲將在控制環(huán)路帶寬內(nèi)傳遞到輸出，而噪聲在環(huán)路帶寬外衰減。為開關(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)閱挝环答佋鲆鎸⒈３衷肼曤娖?，而不是隨輸出電壓電平而增加噪聲電平。最大的挑戰(zhàn)是挖掘出整個(gè)系統(tǒng)中最大的噪聲源，并在電路設(shè)計(jì)中降低它。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10 Hz至1 MHz頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了低于20 μV rms的噪聲性能。ADP5014的輸出噪聲性能如圖7所示。

ADP5014的輸出噪聲性能，內(nèi)置一個(gè)LC濾波器。

高頻尖峰和振鈴

第三類噪聲是高頻尖峰和振鈴噪聲，因?yàn)檩敵鲭妷菏怯砷_關(guān)穩(wěn)壓器的導(dǎo)通或關(guān)斷瞬變產(chǎn)生的?？紤]硅電路和PCB走線中的寄生電感和容量;對(duì)于降壓穩(wěn)壓器，快速電流瞬變會(huì)在SW節(jié)點(diǎn)上引起非常高的電壓尖峰和振鈴。尖峰和振鈴噪聲將隨著電流負(fù)載的增加而增加。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)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20 MHz至300 MHz范圍內(nèi)，因此輸出LC濾波器由于其寄生電感和電容而可能無法有效抑制。與上述所有關(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(diǎn)的輻射噪聲，由于其頻率非常高，這將影響輸出電壓和其他模擬電路。

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，建議同時(shí)有效實(shí)現(xiàn)應(yīng)用和硅設(shè)計(jì)。首先，在負(fù)載點(diǎn)使用額外的LC濾波器或磁珠。通常，這將使輸出端的尖峰噪聲遠(yuǎn)小于紋波噪聲，但此決定會(huì)增加更高頻率的分量。其次，屏蔽或遠(yuǎn)離來自輸出側(cè)和敏感模擬電路的SW和輸入節(jié)點(diǎn)的噪聲源，并屏蔽輸出電感。仔細(xì)的布局設(shè)計(jì)和放置將很重要。第三，優(yōu)化開關(guān)穩(wěn)壓器的導(dǎo)通/關(guān)斷壓擺率，最大限度地降低開關(guān)穩(wěn)壓器的寄生電感和電阻，以有效降低SW節(jié)點(diǎn)噪聲。ADI靜音開關(guān)技術(shù)還有助于通過硅片設(shè)計(jì)降低VIN節(jié)點(diǎn)噪聲。?

開關(guān)穩(wěn)壓器PSRR

PSRR表示開關(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。極高頻噪聲主要影響通過輻射路徑的輸出電壓，而不是前面討論的導(dǎo)電路徑。

電流模式降壓小信號(hào)從輸入電壓到輸出。

根據(jù)圖9中的降壓小信號(hào)圖，降壓PSRR可以表示為：

Fm是斜率增益

Fg是要控制的輸入電壓

R.cs是電流檢測(cè)增益

Zo（s） 是輸出上限和負(fù)載

Tv（s） 是環(huán)路傳遞函數(shù)

采用降壓小信號(hào)模式的PSRR計(jì)算結(jié)果。

通過 SIMPLIS 模式進(jìn)行 PSRR 仿真。

將信號(hào)模式計(jì)算與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。小信號(hào)模式有效，與仿真結(jié)果匹配。

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)壓器在低頻時(shí)具有高環(huán)路增益，因此具有完美的PSRR性能，而固有的LC濾波器會(huì)影響中頻范圍。

結(jié)論

越來越多的模擬電路，如ADC/DAC、時(shí)鐘和PLL，需要具有高電流的清潔電源。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的開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲類型并承認(rèn)電源噪聲要求，以便設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高效、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)格。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