如何控制降壓轉(zhuǎn)換器的輸入紋波和噪音

如今那些大都采用一個(gè)鋰離子電池的功能豐富型便攜式電子設(shè)備，一般會通過一個(gè)或多個(gè)降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器來給核心處理器或者其它關(guān)鍵功能供電。這些快速瞬變的緊湊型電源管理IC的功效要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于類似的線性電源管理IC的功效。另外，隨著便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者不斷試圖縮小產(chǎn)品外形，電源半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)人員也在轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)換頻率越來越高的降壓轉(zhuǎn)換器，以使便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員能用上更小的外置電感器和陶瓷電容器。

然而，向轉(zhuǎn)換頻率越來越高的降壓轉(zhuǎn)換器的過渡，也給系統(tǒng)設(shè)計(jì)者帶來了新問題。如果不進(jìn)行過濾，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入紋波和噪音會達(dá)到很高，以至于干擾使用同一個(gè)電源的其它設(shè)備。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在已經(jīng)有很多相對簡單的方法可以減少輸入紋波及其對其它設(shè)備的影響。這篇文章就將討論輸入噪音和紋波的產(chǎn)生源，以及一些降低輸入噪音和紋波發(fā)生率的簡單方法。

兩個(gè)噪音源

降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入噪音有兩個(gè)分量。第一個(gè)分量發(fā)生在基本轉(zhuǎn)換頻率下，也就是通常所說的紋波。第二個(gè)分量則是與轉(zhuǎn)換過渡過程中的高頻振鈴相關(guān)的。下圖1展示的是降壓轉(zhuǎn)換器輸入波紋和噪音波形范例，以及鋸齒紋波和高頻率分量。

圖1：降壓轉(zhuǎn)換器輸入紋波和噪音波形范例

用來降低輸入噪音的最好方法取決于哪個(gè)噪音分量需要過濾。為了正確分析輸入噪音，設(shè)計(jì)者必須首先分別檢查這些分量。

每個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電感器都在轉(zhuǎn)換周期的開啟狀態(tài)下和輸入相連，并在關(guān)閉狀態(tài)下斷開。在整個(gè)轉(zhuǎn)換周期內(nèi)，電池和輸出電感器電流保持不變，而輸入電容器則沒有直流分量。要在輸入處供應(yīng)一個(gè)不變的DC電壓，Ton狀態(tài)下的輸入電容器電荷(It)必須不變，并和Toff狀態(tài)下的電容器負(fù)荷對立。

圖3展示了輸入電容器波形。等式1解釋了輸入電壓紋波的鋸齒特性。

紋波大小隨著輸入電壓的改變而改變，并在任務(wù)周期運(yùn)行到一半時(shí)達(dá)到最大值。設(shè)計(jì)者可以通過提高電容或者降低Cin的等效串聯(lián)電阻(ESR)來降低輸入紋波。陶瓷電容器一般等效串聯(lián)電阻很低，而且產(chǎn)生的輸入電壓紋波不大。圖2展示了轉(zhuǎn)換周期Ton和Toff狀態(tài)下降壓轉(zhuǎn)換器的等效電路。

圖2：轉(zhuǎn)換周期Ton和Toff狀態(tài)下降壓轉(zhuǎn)換器的等效電路

圖3：輸入電容器波形

等式1

高頻噪音

在大部分便攜式產(chǎn)品中，DC/DC轉(zhuǎn)換器的高頻輸入噪音都是高頻振鈴或者和轉(zhuǎn)換器寄生元件相關(guān)的振蕩產(chǎn)生的，而且一般頻率超過100 MHz。感應(yīng)和電容式寄生元件中存儲的電能會在轉(zhuǎn)換過程中振蕩或者振鈴。轉(zhuǎn)換波形邊緣的振鈴會在每個(gè)周期自動(dòng)重復(fù)。由于振鈴頻率很高，只采用普通的旁路電容器無法減弱噪音，正如下圖4所示。圖中顯示了普通陶瓷電容器的阻抗和頻率。頻率高于100 MHz時(shí)的阻抗是感應(yīng)性的，幾乎不受到電容器大小或者數(shù)值的影響。很顯然，增加一個(gè)體積小于輸入電容器的陶瓷電容器，并不能大量降低高頻噪音。

圖4：旁路電容器無法削弱高頻噪音

由于陶瓷電容器在噪音產(chǎn)生的頻段中是感應(yīng)性的，設(shè)計(jì)者必須增加一個(gè)串聯(lián)元件來削弱噪音。這個(gè)增加的元件可以像PCB跡線阻抗支持由同一個(gè)電源供電的附加設(shè)備一樣簡單。這里的等效電路是一個(gè)感應(yīng)式分壓器（如圖5）。一個(gè)62mil FR4板上2盎司銅線的50mil寬跡線的阻抗一般是11 nH/英寸，半英寸長的跡線阻抗則為5.5 nH。

普通的1μF 0603陶瓷電容器的感應(yīng)系數(shù)大約為0.5 nH。這相當(dāng)于在頻率高于100MHz時(shí)，高頻輸入噪音為21 dB，降低了1/12x。如果需要繼續(xù)降低噪音，設(shè)計(jì)者可以采用一個(gè)串聯(lián)電阻器，用它來提供一個(gè)L/R網(wǎng)絡(luò)，通過噪音頻率或者一個(gè)鐵氧體磁珠來降低噪音；這個(gè)鐵氧體磁珠可以提高高頻串聯(lián)阻抗，并降低DC損耗。

圖5：等效電路相當(dāng)于感應(yīng)式分壓器

采用鐵氧體磁珠來降低噪音

在某些情況下，電路板跡線的阻抗不足以作為低通噪音濾波器所需的一個(gè)串聯(lián)元件。設(shè)計(jì)者可以通過一個(gè)小的表面貼裝鐵氧體磁珠來提高串聯(lián)阻抗，從而降低噪音。

鐵氧體磁珠的DC阻抗和濾波電容(Cf)可決定拐角頻率和轉(zhuǎn)換頻率下相應(yīng)的紋波衰減。要通過一個(gè)鐵氧體磁珠來評估紋波衰減，就必須使輸入紋波波形接近鋸齒狀，并降至降低到基本頻率。請參考圖6并將之和上面的圖1進(jìn)行對比。在圖1中，測出的峰到峰鋸齒波紋大約為16 mV，而通過等式1計(jì)算出的紋波則為大約17 mV。圖6則顯示了一個(gè)電路范例，以及通過鐵氧體磁珠對改進(jìn)頻率抑制的計(jì)算。

圖6：改進(jìn)頻率抑制電路范例

要理解高頻率減，設(shè)計(jì)者必須在輸入中高頻噪音的共振頻率上檢查鐵氧體磁珠的阻抗。圖7中，高頻噪音在頻率大約為400 MHz可以看到。圖8則顯示出鐵氧體磁珠的400 MHz阻抗大約為140Ω。圖4顯示出400 MHz時(shí)濾波電容器的相應(yīng)阻抗為大約1&Omega的，而且是感應(yīng)性的。這樣一來，通過圖7中顯示的網(wǎng)格就可以評估400MHz時(shí)的頻率衰弱。

圖7：評估衰弱的網(wǎng)格

下圖8顯示的是表面貼裝鐵氧體磁珠的阻抗。該鐵氧體磁珠的DC電阻很小，這使之在通過DC電流時(shí)，對系統(tǒng)功效的影響最小。它還在轉(zhuǎn)換器高頻噪音發(fā)生的頻段下?lián)碛泻艽蟮淖杩?。從圖8可以看出，頻率超過200Mhz時(shí)阻抗大于100&Omega。此處應(yīng)用了一個(gè)帶有500mA DC電流的鐵氧體磁珠，和一個(gè)0.3&Omega的DC電阻，將添加串聯(lián)元件時(shí)的損耗最小化。

圖8：表面貼裝鐵氧體磁珠的阻抗

測量問題

下圖9展示的是一個(gè)由AnalogicTech公司生產(chǎn)的AAT1146型瞬變降壓轉(zhuǎn)換器的常見輸入噪音波形，該轉(zhuǎn)換器帶有一個(gè)由輸入跡線感應(yīng)和一個(gè)1 μF的陶瓷電容器組成的輸入過濾器。我們可以看到寄生元件的共振頻率是在大約400MHz是出現(xiàn)的。由于輸入紋波的這一部分是在如此高的頻率下發(fā)生的，設(shè)計(jì)者無法采用一般的示波器探棒連接方法來連接PCB上的任意位置以進(jìn)行精確測量。

圖9：常見輸入噪音波紋

要確保準(zhǔn)確測量，最好的方法就是采用“ring and tip”型示波器探棒方法，探棒上帶一個(gè)50Ω的終端。使用這個(gè)方法時(shí)，要把示波器探棒的塑料外套去掉，以使探棒尖端能接觸到地面。這個(gè)測試方法讓探棒地面能和電容器的返回端快速連接，從而消除了輻射接收，并能更準(zhǔn)確地測量傳導(dǎo)的紋波和噪音。

結(jié)論

最新的降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器采用了最高的轉(zhuǎn)換頻率，給便攜式系統(tǒng)設(shè)計(jì)者提供了一個(gè)外形小巧并能以極小的外置元件運(yùn)行的高效電源。但當(dāng)這些轉(zhuǎn)換器和其它設(shè)備共享一個(gè)輸入電壓時(shí)，轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的噪音就會導(dǎo)致非常危險(xiǎn)的干擾。通過使用簡單的過濾技術(shù)，如陶瓷旁路電容器等，或者必要時(shí)在轉(zhuǎn)換器輸入和其它使用同一電源的設(shè)備之間放置一個(gè)鐵氧體磁珠，設(shè)計(jì)者就可以降低這個(gè)噪音，并提高系統(tǒng)性能。

作者：Charles Coles，Advanced Analogic Technologies公司