本文將介紹幾種不同類型的固有開關穩壓器噪聲：開關紋波、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的開關穩壓器的 PSRR。在設計低噪聲開關穩壓器時，全面了解開關穩壓器噪聲非常重要，這樣可以去除后 LDO 穩壓器，從而提高電源轉換器效率、節省解決方案尺寸并降低設計成本。

介紹

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

開關紋波噪聲

本節介紹與基波和諧波理論相關的降壓轉換器輸出紋波計算公式。

根據開關穩壓器的拓撲結構和基本操作，紋波始終是開關穩壓器中的主要噪聲，因為峰峰值電壓幅度通常為幾 mV 到幾十 mV。它應該被認為是一個周期性和可預測的信號。如果它工作在固定的開關頻率上，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 是典型的降壓穩壓器。由于兩個開關交替打開和關閉，SW 節點電壓 VSW 是一個理想的方波，它與占空比和輸入電壓有關，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的 VSW 基波和諧波幅度。當占空比接近一半時，基波主導紋波幅度。

降壓穩壓器 VSW 幅度與占空比

降壓穩壓器輸出 LC 級傳遞函數如下：

其中L為輸出電感值，DCR為電感電阻值，CL為電感并聯電容值。

COUT 為輸出容量值。ESL 是容量串聯電感。ESR 是電容串聯電阻值。

所以 VOUT 可以表示如下：

為了簡化計算，我們假設輸出 LC 級每十倍頻為 20 dB，然后是與占空比相關的 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，基波幅度是開關穩壓器輸出紋波中的主要成分。

降壓穩壓器 V OUT 紋波幅度與占空比。

對于降壓穩壓器，基波幅度將與輸入電壓、占空比、開關頻率和 LC 級有關；然而，所有這些參數都會影響應用程序的要求，例如效率和解決方案的大小。為了進一步減少紋波，建議使用額外的后置濾波器。

寬帶噪聲

開關穩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的噪聲密度

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

典型的降壓穩壓器寬帶噪聲峰峰值幅度電壓約為 100 μV 至 1000 μV，遠低于開關紋波噪聲。如果您使用額外的濾波器來降低開關紋波噪聲，那么寬帶噪聲可能會成為開關穩壓器輸出電壓中的主要噪聲。圖 4 表明，當沒有額外的濾波器時，降壓穩壓器輸出噪聲的主要來源是開關紋波。圖 5 顯示，當使用附加濾波器時，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× 前置放大器進行測量）。

要識別和分析開關穩壓器輸出寬帶噪聲，需要有穩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壓器控制方案和阻止噪聲源注入。

典型的電流模式降壓穩壓器控制方案。

通過獲得的控制環路傳遞函數和塊噪聲特性，有兩種不同的噪聲：環路輸入噪聲和環路內噪聲。環路輸入噪聲將在控制環路帶寬內傳輸到輸出端，而噪聲在環路帶寬外會衰減。為開關穩壓器設計低噪聲 EA 和基準至關重要，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。最大的挑戰是在整個系統中挖掘出最大的噪聲源并在電路設計中減少它。ADP5014 _針對低噪聲技術進行了優化，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 頻率范圍內實現低于 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開關的開啟或關閉瞬態產生的?？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壓器的 SW 節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載而增加。圖 8 顯示了降壓穩壓器的尖峰是如何形成的。根據開關的開啟/關閉壓擺率，最高尖峰和振鈴頻率將在 20 MHz 至 300 MHz 范圍內，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。與以上所有關于導電路徑的討論相比，最糟糕的是來自 SW 和 VIN 節點的輻射噪聲，

降壓穩壓器高頻尖峰和振鈴噪聲。

為了減少高頻尖峰和振鈴噪聲，建議有效實施應用和硅設計。首先，在負載點使用額外的 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，從輸出側和敏感的模擬電路屏蔽或遠離SW和輸入節點的噪聲源，屏蔽輸出電感。仔細的布局設計和布局將很重要。第三，優化開關穩壓器的開關壓擺率，最大限度地降低開關的寄生電感和電阻，有效降低SW節點噪聲。ADI Silent Switcher ?技術還有助于通過硅設計降低 VIN 節點噪聲。

開關穩壓器 PSRR

PSRR 代表了開關穩壓器從輸入電源噪聲到輸出的抑制能力。本節分析降壓穩壓器在低頻范圍內的 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 ） 是輸出電容和負載

T v （ s ） 是循環傳遞函數

使用降壓小信號模式的 PSRR 計算結果。

通過 SIMPLIS 模式進行 PSRR 仿真。

將信號模式計算與仿真結果進行比較。小信號模式有效且與仿真結果相匹配。

開關穩壓器的 PSRR 性能取決于低頻范圍內的環路增益性能。開關穩壓器具有固有的 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，這將比 LDO PSRR 好得多。因此，開關穩壓器因其在低頻的高環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。每個設備對不同頻率范圍內的電源噪聲都有不同的要求和規格。有必要全面了解不同的開關穩壓器噪聲類型并確認電源噪聲要求，以便設計和實現高效且低噪聲的開關穩壓器，以滿足大多數模擬電路電源的低噪聲規范。與 LDO 穩壓器相比，這種低噪聲開關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