如何降低开关稳压器噪声

发布日期:2017-04-11 23:14,查看次数:544

开关模式电源会产生噪声。很多应用都需要限制该噪声,从而不影响模拟数据完整性,同时符合某些EMI要求。本文将介绍我们在开关模式电源(SMPS)中发现的各种类型噪声、讨论不同的噪声耦合机制,并最终给出减少噪声生成的解决方案和过滤其余干扰的最佳策略。

虽然本文讨论的概念通常适用于全部SMPS设计,但本文主要关注非隔离式DC-DC转换器,或负载点转换器(POL)——它们用来提供电子系统中的各种低压电源轨。现在,板级非隔离式DC-DC转换通常使用开关模式技术来实现。因此,执行此功能的元件通常称为开关稳压器。

然而应注意,在业内,“DC-DC转换器”、“负载点转换器”和“开关稳压器”等名称一定程度上可以互相代替使用,虽然有的时候电源IC和模块供应商根据器件功能集成度的不同而区别对待这些名称。无论如何,大部分板级DC-DC转换器实际上是开关稳压器。但非隔离式DC-DC转换还可通过另一类的稳压器(即线性稳压器)实现。然而,它们主要用作噪声敏感型负载的电源轨供电。否则,开关稳压器的高功率转换效率能为大部分应用提供优势。

开关稳压器本质上十分噪杂。它们在很短的跃迁时间内导通和关断高电流。这种组合一定会产生大量噪声。虽然开关模式电源的基本原理无法改变,但显然有一些方法可以减少噪声的产生,并通过不同途径过滤其余噪声。这些多样化的手段使应用得以通过EMI测试,同时防止电源噪声耦合至某个系统的其它敏感模拟电路。

各种噪声类型

开关稳压器产生各种类型的噪声。最重要的是来自开关频率的开关噪声、来自开关跃迁的高频噪声、开关跃迁之后的高频谐波、断续电流导通模式下的高频谐波,以及同一系统中运行多个开关稳压器产生的拍频。

开关频率噪声

开关频率产生的开关噪声可能会有很大影响。目前对于非隔离式DC-DC转换器而言,开关噪声通常位于500 kHz至3 MHz范围的频段内。开关频率噪声的特点在于,开关频率可以通过外部时钟信号以较高的精度来调节。经过这样的调节之后,该噪声相对比较容易滤除。

该噪声会产生输出纹波电压,可以通过LC滤波器过滤。另外,可以使用线性稳压器来降低进入敏感负载的纹波电压。图1中,最上面的波形是降压稳压器产生的输出纹波电压。当使用带有极低等效串联电阻(ESR)的陶瓷输出电容时,这种波形是特征波形。图1中最下面的波形表明放置在开关稳压器输出端的额外LC滤波器或线性稳压器是如何衰减此信号的。

为了帮助设计人员计算特定设计的正确滤波器元件值,半导体制造商通过网站提供计算工具。ADI提供ADIsimPower(用于电路计算)和ADIsimPE(用于仿真)。

 

图1.根据开关模式电源的开关频率得到的输出纹波电压。

 

图1.根据开关模式电源的开关频率得到的输出纹波电压。

开关跃迁噪声

开关跃迁产生的高频噪声通常最为棘手。此噪声是电流路径上寄生电感的函数,包括与电路板走线、IC引脚、过孔和焊线相关的电感。

举例而言,如果有1英寸PCB走线,那么根据经验法则,假定这段走线存在大约20 nH寄生电感。假定一个典型的开关稳压器设计中,开关跃迁速度为30 ns,所需输出电流为5 A,可以计算出该1英寸走线所产生的失调电压——只需使用电感的基本公式:V = L * di/dt。代入例子中的数值,得到总失调电压为3.3 V。

这是非常大的失调值——由于电流快速变化而导致长度仅为1英寸的走线所产生的失调。产生的这一交流失调电压将耦合至设计中,导致干扰耦合噪声。图2显示了一个降压稳压器的开关跃迁。

 

图2.降压稳压器中的快速开关跃迁。

 

图2.降压稳压器中的快速开关跃迁。

降低该噪声的关键是最大程度降低寄生电感。上文公式中的“di”无法降低,因为一定的负载要求一定的电流。未来电流可能更大,因为IC工艺几何尺寸的缩小要求更低的电压,同时假定功率不变,则电流更大。类似地,“dt”应当为较小值。快速跃迁时间减少开关损耗,从而允许更高的开关频率,可以使用小型低成本电感和输出电容。

在2000年以前,大部分开关稳压器使用双极性开关晶体管作为功率开关。它们的跃迁时间相对较慢,为大约100 ns或更长。它们具有较高的开关损耗,要求开关频率较低。然而,它们由于寄生电感产生的失调电压也低得多。

今天,开关跃迁速度达到了几纳秒。未来,利用碳化硅、氮化镓和其它极高速功率开关技术,跃迁时间可能会进一步缩短。这些技术能实现更低的开关损耗,从而有望获得更高的开关频率,允许设计出极为紧凑、低成本的电源。若要降低所产生的开关跃迁噪声,我们唯一能做的是降低上文公式中与“L”有关的寄生电感。

图3显示了开关模式降压稳压器中的关键交流电流走线,在底部以红色表示。在任何开关模式电源中都很容易找到这些关键走线。第一步,确定导通期间的电流。这一步在最上方的原理图内完成,蓝色表示电流流动。随后,确定关断期间的电流通路。中间的原理图显示了该电流路径,以绿色表示。在第三个原理图中,我们标出了全部走线;最上方原理图和中间原理图的电流通路有所不同。这些是我们在数纳秒时间内将电流大小从全电流变为零电流的走线。

 

图3.在开关模式电源中找到交流电流走线。

 

图3.在开关模式电源中找到交流电流走线。

这些走线一定要尽量短。这样可以降低寄生电感L,从而降低这类开关跃迁之后产生的失调电压。

在降压稳压器示例中,这意味着输入电容需要尽量靠近上管开关,同时尽量靠近下管开关的接地。这表示关键交流走线同样可以是接地走线。这种返回电流不能直接通过接地层。若非如此,那么它们将使接地层产生基于返回走线寄生电感的失调电压。

图4显示了应当如何处理交流接地电流返回路径。应将其局部连接。在此局部接地路径上不能使用过孔,因为它们会导致电感增加,从而增加失调电压,产生更多噪声。当然,此局部交流电流接地返回走线应当具有地电位,因此我们通过一个过孔将该走线连接至接地层的某一点上。这样可以把噪杂的交流返回电流限制在局部范围内。

接地电流返回路径到接地层的过孔连接有助于将噪杂的局部交流电流返回走线从干净的接地层电压中去耦。

 

图4.将交流电流走线限制在局部范围内,且不要直接通过接地层。

 

图4.将交流电流走线限制在局部范围内,且不要直接通过接地层。

破坏这一规则并让开关稳压器的交流返回电流进入接地层会导致整个接地层反弹,产生各种问题。接地层理应为系统中的各种子电路提供精确的接地基准电位,同时理应屏蔽RF噪声。如果理想情况下接地层不搭载电流,那么它将是干净的,且各处电压相等。

开关跃迁噪声通常位于10 MHz至300 MHz范围内。其频率比开关稳压器的开关频率要高得多。针对在电源输出端衰减此噪声而言,使用LC滤波器来降低输出纹波电压的常用方法可能并不是一个很好的选择。铁氧体磁珠更适合用来衰减这类高频率。

开关跃迁之后的振铃

开关跃迁之后,开关节点上的电压振铃可从图5中看出。这是由多种因素导致的。最主要的原因,是寄生的影响以及电流无法瞬间变化这一事实,它需要一段时间通过寄生电感限制变化。

这类噪声可以通过吸收器或有源箝位电路降低。无源吸收器会将此振铃的能量耗散至电阻,并最终产生热量。有源箝位电路将振铃能量的一部分反馈回到电路中,提升电源的总效率。

在简单的非隔离式DC-DC转换器中,通常不使用吸收器,因为开关节点振铃中的能量大部分时间内都不会太高,只会造成小的干扰。在基于变压器的开关模式电源中,通常更需要通过原边和副边吸收器或有源箝位电路来降低噪声。

 

图5.开关跃迁之后的开关节点电压振铃。

 

图5.开关跃迁之后的开关节点电压振铃。

断续电流导通模式中的振铃

在断续电流导通模式(DCM)中,可以在开关节点上观察到一些较低频率振铃。它可以在异步降压稳压器中看到,其中下管开关采用续流肖特基二极管实现。当下管开关未主动开启或关断,并且MOSFET的体二极管搭载关断期间电流时,同步降压稳压器在轻载节能模式下也会表现出此特点。

其产生的振铃如图6所示。它是由于电感电流为零,且两个开关均为关断时,在暂时处于高阻抗的开关节点上来回摆动电荷所导致。

 

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图6.异步降压稳压器中的DCM振铃。

一般而言,设计一个噪声最低的开关稳压器时,稳压器不应配置为DCM工作模式。在输出功率不变的情况下,DCM相比连续电流导通模式(CCM)产生高得多的峰值电流。这些峰值电流很有可能导致系统产生过多噪声。然而,每一个CCM设计在轻载条件下都会工作在DCM模式。

因此,如果某个设计需要在满载和部分负载条件下以最低噪声运行,则可以使用吸收器来减少DCM振铃。然而,由于此振铃通常为暂时高阻抗开关节点上的极低功率振铃,因而大部分情况下都不需要使用缓冲器。

拍频

拍频是一种由于某系统中两个不同开关频率交叠而产生的低频率。大部分现代电子系统都要求多个电压轨。处理器内核、I/O接口、FPGA以及模拟电路通常要求不同的电源电压。

为了产生这些电压,一般使用开关稳压器。如果选择简单的固定频率降压型DC-DC转换器,则它们并非全都以完全一致的开关频率进行切换。典型开关频率可能为1 MHz,但如果查看稳压器数据手册中的电气特性,实际上会发现1 MHz开关频率会在最小值和最大值之间变化。因此,一个开关稳压器可能工作在900 kHz,另一个可能工作在1.1 MHz,而非全部两个都工作在1 MHz。

图7显示了一个系统内具有两个开关稳压器的示例。虽然全部两个开关都是同一种类型,且它们的典型开关频率为1 MHz,但最上面的稳压器工作在1.1 MHz,而最下面的稳压器则工作在900 kHz。在最上面那个开关的输出端显然可以看到1.1 MHz纹波电压,但同时也能看到900 KHz开关的额外效果。这是最下面那个稳压器的输入开关噪声,通过最上面的稳压器耦合至2.5 V输出电压。

无论何时,只要有类似这样的交叠频率,两个峰值都会不时落在对方的顶部,由此产生额外的较低频率。此频率可能会耦合进入系统中,且通常不易滤除这一低频。它甚至还可能是一种声频,导致系统产生干扰声音。

 

图7.一个系统中的多个开关稳压器以及拍频的产生。

 

图7.一个系统中的多个开关稳压器以及拍频的产生。

处理此效应的最佳方式是将系统中的全部开关稳压器同步至相同的开关频率。这样便不会产生拍频。在进行这样处理的同时,相移每一个开关稳压器的开关周期是一个很好的主意。这表示它们共享相同的开关频率,但在不同的时间开始导通上管开关。这导致多个开关稳压器在不同时刻开始拉取源电流。积极的一面是这样降低了降压稳压器输入线路上的噪声,并减少所需的输入旁路电容数量,节省了电路板空间,降低了成本。

实现这种交错式稳压器的一种方式是使用带有多个开关稳压器的电源管理单元,所有元件全部集成在一个芯片内,比如ADI的ADP5135。之后,电路设计人员便无需担心不同开关的同步和相移问题。它们是自动实现的,且不会出现拍频。

降压稳压器中的输入滤波

很多时候,当在系统中使用降压稳压器且存在噪声问题时,工程师直观地决定过滤稳压器输出。由于输出最终连接至噪声敏感型负载,因而需要过滤输出——或沿着这条思路进行设计。但事实上,降压稳压器产生的输出通常具有较低的噪声。

图8显示了降压转换器的低噪声和高噪声端。输出端为低噪声,因为电感与输出串联。电感电流在导通期间上升,在关断期间下降。相反,降压转换器的输入端具有极高的噪声。在导通期间,最大电流流过输入走线;在关断期间,没有电流流入输入端。这就是将输入线路视作交流电流线路的原因。

 

图8.降压稳压器的输入端实际上是噪杂的一端。

 

图8.降压稳压器的输入端实际上是噪杂的一端。

输入电容确实有助于略为平摊源电流,但它无法完全产生恒定的直流输入电流。因此,设计人员应当牢记,当系统中出现降压稳压器有关的噪声问题时,问题通常并非出在降压稳压器的输出端,而是输入端。输入端噪声很大,且在特定PCB上经常具有很长的走线。可以借助输入滤波解决这个问题。


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