醫(yī)療設(shè)備、測(cè)試測(cè)量儀器等很多應(yīng)用對(duì)電源的紋波和噪聲極其敏感。 理解輸出電壓紋波和噪聲的產(chǎn)生機(jī)制以及測(cè)量技術(shù)是優(yōu)化改進(jìn)電路性能的基礎(chǔ)。

1：輸出電壓紋波

以Buck電路為例，由于寄生參數(shù)的影響，實(shí)際Buck電路的輸出電壓并非是穩(wěn)定干凈的直流電壓，而是在直流電壓上疊加了輸出電壓紋波和噪聲，如圖1所示。

圖1. Buck 輸出電壓紋波和噪聲

實(shí)際輸出電壓紋波由電感電流與輸出阻抗決定，由三部分組成，如圖2 所示。

電感電流紋波通過(guò)輸出電容的寄生電阻ESR形成的壓降

輸出電容的充放電

寄生電感引起的電壓突變

圖2. 輸出電壓紋波的組成

不同類型的輸出電容，寄生參數(shù)的大小不同，三部分紋波所占的比例也有所不同。因此，使用不同類型的輸出電容會(huì)得到不同波形的電壓紋波。如圖3所示，電解電容的ESR較大，紋波由ESR主導(dǎo)，波形與電感電流紋波形狀類似。陶瓷電容的ESR和ESL都很小，主要由電容的充放電主導(dǎo)，紋波類似電容的充放電曲線。OSCON電容三者的影響都體現(xiàn)在紋波中。

圖3. 不同類型輸出電容的電壓紋波

2：輸出電壓紋波的測(cè)量

在測(cè)量輸出電壓紋波時(shí)，要注意如下幾點(diǎn)，正確方式如圖4所示。

保證接地環(huán)路盡可能小，建議使用接地環(huán)

探頭應(yīng)靠近電容兩側(cè)

避免同時(shí)使用示波器其他通道測(cè)試其他點(diǎn)位的波形

如果只關(guān)注開(kāi)關(guān)頻率分量紋波，建議打開(kāi)示波器帶寬限制

如圖5所示，左側(cè)波形同時(shí)測(cè)量開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和輸出電壓紋波，帶寬限制關(guān)閉。可以看到，輸出電壓紋波中的噪聲較大，影響紋波的測(cè)量。

圖4. 輸出電壓紋波測(cè)試方式

圖5. 輸出電壓紋波測(cè)試對(duì)比

3：輸出電壓紋波的抑制

由以上分析可知，輸出電壓紋波由電感紋波電流和輸出電容阻抗決定（式1）。

因此，要降低輸出電壓紋波可以通過(guò)降低電感電流紋波或者降低輸出電容阻抗。當(dāng)輸入輸出電壓和負(fù)載一定時(shí)，電感電流的紋波跟開(kāi)關(guān)頻率和電感量成反比。增加電感量或者開(kāi)關(guān)頻率可以有效降低輸出電壓的紋波，但開(kāi)關(guān)頻率和電感往往受到電路效率和體積等的限制。

當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率和電感值一定時(shí)， 抑制紋波電壓最有效的方式是減小輸出電容在開(kāi)關(guān)頻率處的輸出阻抗。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，通常會(huì)并聯(lián)多種不同的輸出電容來(lái)獲得足夠的容量并降低輸出電壓紋波，如圖6所示。由式(2)-(5)可以計(jì)算得到輸出電容的總阻抗以及等效的電阻和電容。若已知Buck電路的開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)式(3)可得到開(kāi)關(guān)頻率處的阻抗，也就可以得到輸出電壓紋波。但是，當(dāng)輸出電容數(shù)量較多時(shí)，計(jì)算會(huì)變得很復(fù)雜。簡(jiǎn)單有效的方式可以借助Excel 工具，如圖6所示。

圖6. 多個(gè)輸出電容并聯(lián)

圖7. 輸出電壓紋波計(jì)算工具

若選擇合適的電容仍然無(wú)法滿足紋波的要求，可以增加第二級(jí)LC 濾波器來(lái)進(jìn)一步降低輸出電壓紋波， 如圖8所示。

圖8. Buck 電路第二級(jí)LC濾波器

第二級(jí)LC濾波器提供額外的增益衰減，但同時(shí)高品質(zhì)因素Q值也會(huì)導(dǎo)致相位裕度降低，甚至導(dǎo)致環(huán)路穩(wěn)定性問(wèn)題，如圖9所示。為保證環(huán)路穩(wěn)定，可以在L2兩端增加damp電阻，降低Q值。圖10以TI電源模塊LMZ23601為例 (Vin = 24V, Vout = 5V, Fsw = 750kHz, Iout = 1A)，在輸出端增加160nH 電感, 3X22uF 電容, 250m? damp電阻，輸出電壓紋波<1mV。

圖9. Buck兩級(jí)濾波波特圖

圖10. LMZM23601 兩級(jí)濾波

圖11. LMZ23601 兩級(jí)濾波輸出電壓紋波

綜上所述，理解輸出電壓紋波的形成原理，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，針對(duì)性地優(yōu)化電感值、開(kāi)關(guān)頻率以及輸出電容，可有效降低輸出電壓紋波，滿足應(yīng)用需求。

02

高頻噪聲分量的來(lái)源和抑制

1：輸出電壓噪聲

輸出電壓波形中除了開(kāi)關(guān)頻率分量的紋波以外，還存在高頻噪聲分量，如圖1所示。高頻噪聲是如何形成的呢？主要是由電路中的寄生參數(shù)造成的。在實(shí)際電路中，PCB走線存在寄生電感和電阻，輸入輸出電容會(huì)引入寄生電感和電阻，兩個(gè)不同電位的平面之間會(huì)形成寄生電容。以Buck電路為例，上下管切換的瞬間，輸入回路中的寄生電感與開(kāi)關(guān)管的輸出電容諧振。因此，開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)SW在上升和下降沿會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩，且寄生參數(shù)越大，振蕩的幅度也越大，甚至損壞開(kāi)關(guān)管。該高頻振蕩會(huì)通過(guò)SW節(jié)點(diǎn)與輸出VOUT之間的寄生電容耦合到輸出電壓，也就是輸出電壓中的高頻噪聲。

圖1. Buck電路的寄生參數(shù)

2：輸出電壓噪聲的抑制

了解高頻噪聲的來(lái)源和耦合途徑，可以幫助我們有針對(duì)性地抑制輸出電壓噪聲。下面分別介紹如何通過(guò)噪聲源和耦合途徑來(lái)抑制輸出電壓噪聲。

針對(duì)噪聲源，有如下幾種抑制方法：

PCB布板時(shí)盡量減小輸入高di/dt回路

Buck電路的輸入回路由輸入電容CIN, 上管HS和下管LS組成。HS和LS的開(kāi)關(guān)動(dòng)作導(dǎo)致輸入環(huán)路電流的非連續(xù)性，引起SW電壓的振蕩。輸入環(huán)路越大，振蕩越嚴(yán)重，開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力越大。將輸入電容盡可能靠近HS和LS，保證輸入環(huán)路盡最小，可有效降低開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)SW的振蕩，如圖2所示。

圖2. 輸入電容位置對(duì)輸出電壓噪聲的影響

2.使用TI HotRod 封裝產(chǎn)品

HotRod 封裝技術(shù)將芯片內(nèi)部的die倒置，通過(guò)銅柱直接連接die 和lead frame，消除了使用wire bond引入的寄生電感，減小SW節(jié)點(diǎn)的振蕩，例如LMR33630。另外，如圖4所示，HotRod封裝有兩個(gè)電源VIN引腳和兩個(gè)接地GND引腳，分別位于封裝的兩端。這種引腳分配可以減少VIN和GND回路造成的寄生環(huán)路電感。如果在器件的兩邊都有對(duì)稱布局的輸入電容，等效寄生回路電感則會(huì)減半（兩個(gè)相等的并聯(lián)電感）。這可以有效地減少高的di/dt 產(chǎn)生的噪聲，相當(dāng)于高頻濾波。

圖3. TI Hotrod 封裝技術(shù)

圖4. LMR33630 對(duì)稱輸入降低

3.使用TI電源模塊產(chǎn)品

由于Layout的限制，輸入電容無(wú)法無(wú)限靠近Buck 芯片。TI的電源模塊產(chǎn)品集成高頻輸入電容和電感，進(jìn)一步減小輸入回路和SW節(jié)點(diǎn)的面積，降低噪聲，如圖5所示。

圖5. TI電源模塊產(chǎn)品

針對(duì)耦合途徑，有如下幾種抑制方法：

選擇寄生電容較小的電感

理想電感對(duì)高頻噪聲呈現(xiàn)很大的阻抗，因此輸出電壓中的噪聲很小。但是，實(shí)際電感存在寄生電容，噪聲會(huì)通過(guò)耦合電容，耦合到輸出電壓。因此，選擇耦合電容較小的電感，在一定程度上可抑制輸出電壓噪聲。

圖6.噪聲耦合途徑

2.并聯(lián)高頻濾波電容

直觀地理解，輸出電壓噪聲等于SW噪聲在輸出電容阻抗和輸出電感阻抗的分壓。也就是說(shuō)，輸出電容在噪聲頻率處的阻抗越小，耦合到輸出的噪聲就越小。但是，多個(gè)電容并聯(lián)后，輸出電容的阻抗曲線會(huì)存在多個(gè)諧振點(diǎn)。如圖7所示，增加高頻電容后，在諧振點(diǎn)處，阻抗最小; 諧振點(diǎn)之前，阻抗變大; 諧振點(diǎn)之后，阻抗變小。因此，并非增加高頻電容就一定能減小輸出噪聲。噪聲頻率位于諧振點(diǎn)處，輸出噪聲最小。如圖8所示，增加220pF的電容，電壓噪聲反而增加了。因此，選擇合適的輸出電容至關(guān)重要。

圖7.輸出并聯(lián)高頻濾波電容的阻抗特性

圖8. 不同電容對(duì)輸出電壓噪聲的影響

綜上所述，理解輸出電壓噪聲的形成原理，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，選擇先進(jìn)的封裝技術(shù)/電源模塊產(chǎn)品、優(yōu)化PCB布局、增加濾波電容可有效降低輸出電壓噪聲，滿足應(yīng)用需求。

審核編輯：湯梓紅