全面了解和分析開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲

簡介

一般而言，與低壓差(LDO)穩(wěn)壓器輸出相比，人們認為傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出電壓噪聲很大。然而，LDO電壓會引起嚴(yán)重的額外熱問題，并使得電源設(shè)計更加復(fù)雜。全面認識開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲很有必要，有助于設(shè)計低噪聲開關(guān)解決方案，使之產(chǎn)生與LDO穩(wěn)壓器相當(dāng)?shù)牡驮肼曅阅?。本文分析和評估的目標(biāo)是采用電流模式控制的降壓穩(wěn)壓器，因為它在應(yīng)用中最常用。信號分析是了解開關(guān)紋波噪聲、當(dāng)前寬帶噪聲特性（及其來源）、開關(guān)引起的高頻尖峰噪聲的主要方法。本文將討論開關(guān)穩(wěn)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(guān)紋波噪聲

本部分依據(jù)基波和諧波理論介紹降壓轉(zhuǎn)換器輸出紋波計算公式。

根據(jù)開關(guān)穩(wěn)壓器拓撲結(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一般為幾mV到幾十mV。它應(yīng)被視為周期性且可預(yù)測的信號。如果以固定開關(guān)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，很容易將其識別并進行測量。

圖1.降壓穩(wěn)壓器拓撲

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

其中：

VIN為輸入電壓。D為占空比；對于降壓穩(wěn)壓器，其等于VOUT/VIN。

VIN確定后，VSW基波和諧波成分僅取決于占空比。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，紋波幅度以基波為主。

圖2.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級傳遞函數(shù)如下：

其中，L為輸出電感值，DCR為電感電阻值，CL為電感并聯(lián)電容值。

COUT為輸出容量值。ESL為電容串聯(lián)電感值。ESR為電容串聯(lián)電阻值。

因此，VOUT可表示如下：

為了簡化計算，我們假設(shè)輸出LC級為20 dB/十倍頻程，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。當(dāng)占空比接近一半時，三次或奇數(shù)次諧波將高于偶數(shù)次諧波。由于LC抑制，較高的諧波將具有較低的幅度，并且與總紋波幅度相比，其比例非常小。同樣，基波幅度是開關(guān)穩(wěn)壓器輸出紋波中的主要成分。

圖3.降壓穩(wěn)壓器VOUT紋波幅度與占空比的關(guān)系

對于降壓穩(wěn)壓器，基波幅度與輸入電壓、占空比、開關(guān)頻率和LC級有關(guān)；但是，所有這些參數(shù)都會影響應(yīng)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。它可以用整個頻率范圍內(nèi)的噪聲密度來表示，單位為V/

，或用V rms來表示，其與頻率范圍內(nèi)的密度不可分。由于硅工藝和基準(zhǔn)電壓源濾波器設(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)，在低頻范圍內(nèi)很難通過增加濾波器來將其降低。

典型降壓穩(wěn)壓器寬帶噪聲峰峰值幅度電壓約為100μV至1000μV，遠低于開關(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)壓器輸出電壓的主要噪聲。圖4顯示了當(dāng)沒有額外濾波器時，降壓穩(wěn)壓器輸出噪聲的主要來源是開關(guān)紋波。圖5顯示了當(dāng)使用額外濾波器時，輸出噪聲的主要來源是寬帶噪聲。

圖4.無額外濾波器的VOUT

圖5.有額外濾波器的VOUT（使用1000倍前置放大器進行測量）

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

圖6.典型電流模式降壓穩(wěn)壓器控制方案

對于獲得的控制環(huán)路傳遞函數(shù)和模塊噪聲特性信息，有兩種不同的噪聲：環(huán)路輸入噪聲和環(huán)內(nèi)噪聲。控制環(huán)路帶寬內(nèi)的環(huán)路輸入噪聲會傳輸?shù)捷敵?，而環(huán)路帶寬之外的噪聲會被衰減。對于開關(guān)穩(wěn)壓器，設(shè)計低噪聲EA和基準(zhǔn)電壓源至關(guān)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(zhàn)是找出整個系統(tǒng)中最大的噪聲源，并在電路設(shè)計中降低該噪聲。ADP5014針對低噪聲技術(shù)進行了優(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)了低于20μV rms的噪聲性能。ADP5014的輸出噪聲性能如圖7所示。

圖7.采用額外LC濾波器的ADP5014輸出噪聲性能

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(guān)穩(wěn)壓器導(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電容；對于降壓穩(wěn)壓器，快速電流瞬變將在SW節(jié)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(wěn)壓器如何形成尖峰。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)，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(guān)于傳導(dǎo)路徑的所有討論相比，最差的是來自SW和VIN節(jié)點的輻射噪聲，由于其頻率非常高，輸出電壓和其他模擬電路會受到影響。

圖8.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，建議采用有效方法實施應(yīng)用和芯片設(shè)計。首先，在終端負載上應(yīng)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于紋波噪聲，但會增加更高頻率的成分。其次，應(yīng)屏蔽SW和輸入節(jié)點的噪聲源或讓其遠離輸出側(cè)及敏感模擬電路，并且屏蔽輸出電感。精心布局和布線對設(shè)計很重要。第三，優(yōu)化開關(guān)穩(wěn)壓器的導(dǎo)通/關(guān)斷壓擺率，并盡量減小開關(guān)穩(wěn)壓器的寄生電感和電阻，從而有效降低SW節(jié)點噪聲。ADI Silent Switcher?技術(shù)也有助于通過芯片設(shè)計降低VIN節(jié)點噪聲。

開關(guān)穩(wěn)壓器PSRR

PSRR反映開關(guān)穩(wěn)壓器抑制輸入電源噪聲傳輸?shù)捷敵龅哪芰?。本部分分析低頻范圍內(nèi)的降壓穩(wěn)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(dǎo)路徑。

圖9.從輸入電壓到輸出的電流模式降壓小信號圖

根據(jù)圖9所示的降壓小信號圖，降壓PSRR可以表示如下：

其中：

Fm為斜率增益

Fg為控制輸入電壓

Rcs為電流檢測增益

Zo(s)為輸出電容和負載

Tv(s)為環(huán)路傳遞函數(shù)

圖10.采用降壓小信號模式的PSRR計算結(jié)果

圖11.SIMPLIS模式的PSRR仿真

將信號模式計算與仿真結(jié)果進行比較。小信號模式是有效的，與仿真結(jié)果一致。

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)壓器的固有LC濾波器可以抑制中頻范圍（100 Hz至10 MHz）內(nèi)的輸入噪聲。此范圍內(nèi)的抑制性能比LDO PSRR好得多。因此，開關(guān)穩(wěn)壓器具有理想的PSRR性能，因為其在低頻時具有高環(huán)路增益，而固有LC濾波器會影響中頻范圍。

結(jié)論

越來越多的模擬電路，如ADC/DAC、時鐘和PLL等，需要干凈的能提供高電流的電源。每個器件對不同頻率范圍內(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類型的開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲并認知電源噪聲要求，從而設(shè)計和實現(xiàn)高效率、低噪聲開關(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)解決方案將有更高的功效比、更小的解決方案尺寸和更低的成本。

參考資料

Glenn Morita。“可調(diào)節(jié)輸出低壓差穩(wěn)壓器的降噪網(wǎng)絡(luò)”?！赌M對話》，第48卷，2014年。

Glenn Morita。應(yīng)用筆記AN-1120：低壓差(LDO)穩(wěn)壓器的噪聲源。ADI公司，2011年

Matthew Felmlee。應(yīng)用筆記AN-1066：低噪聲時鐘AD9523、AD9524和AD9523-1的電源考慮。ADI公司，2017年

Rob Reeder。技術(shù)文章?！案咚貯DC的電源設(shè)計”，ADI公司，2012年

作者簡介

Leo Liu 于 2005 年加入ADI公司，在中國銷售團隊擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師。2011年，他加入電源管理產(chǎn)品部門，擔(dān)任應(yīng)用工程師，自此以后一直負責(zé)PMU產(chǎn)品應(yīng)用。他畢業(yè)于浙江大學(xué)，2001年和2004年分別獲得電氣工程學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：leo.liu@analog.com。