【導讀】本文將介紹幾種不同類(lèi)型的固有開(kāi)關(guān)穩壓器噪聲：開(kāi)關(guān)紋波、寬帶噪聲和高頻尖峰。還將討論和分析開(kāi)關(guān)穩壓器的PSRR，因為它們與輸入噪聲抑制有關(guān)。在設計低噪聲開(kāi)關(guān)穩壓器時(shí)，全面了解開(kāi)關(guān)穩壓器噪聲非常重要，這樣才能去除LDO后電壓調節器，從而提高功率轉換器效率，節省解決方案尺寸并降低設計成本。
本文將介紹幾種不同類(lèi)型的固有開(kāi)關(guān)穩壓器噪聲：開(kāi)關(guān)紋波、寬帶噪聲和高頻尖峰。還將討論和分析開(kāi)關(guān)穩壓器的PSRR，因為它們與輸入噪聲抑制有關(guān)。在設計低噪聲開(kāi)關(guān)穩壓器時(shí)，全面了解開(kāi)關(guān)穩壓器噪聲非常重要，這樣才能去除LDO后電壓調節器，從而提高功率轉換器效率，節省解決方案尺寸并降低設計成本。
介紹
通常，與低壓差（LDO）穩壓器輸出相比，傳統的開(kāi)關(guān)穩壓器被認為輸出電壓噪聲很大;然而，LDO電壓會(huì )導致嚴重的額外熱問(wèn)題，并使電源設計更加復雜。全面識別開(kāi)關(guān)穩壓器噪聲是必要的，有助于設計低噪聲開(kāi)關(guān)解決方案，以產(chǎn)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穩壓器。信號分析是了解開(kāi)關(guān)紋波噪聲、當前寬帶噪聲特性及其來(lái)源以及開(kāi)關(guān)引起的高頻尖峰噪聲的主要方法。將討論開(kāi)關(guān)穩壓器PSRR（電源抑制比）以及信號分析方法，該方法對輸入噪聲抑制非常重要。
開(kāi)關(guān)紋波噪聲
本節介紹與基波和諧波理論相關(guān)的降壓轉換器輸出紋波計算公式。
根據開(kāi)關(guān)穩壓器的拓撲結構和基本操作，紋波始終是開(kāi)關(guān)穩壓器中的主要噪聲，因為峰峰值電壓幅度通常為幾mV至幾十mV。它應該被認為是一個(gè)周期性和可預測的信號。如果它工作在固定的開(kāi)關(guān)頻率上，則可以通過(guò)時(shí)域振蕩示波器或頻域中的傅里葉分解輕松識別和測量。
圖1為典型的降壓穩壓器。由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)交替打開(kāi)和關(guān)閉，SW節點(diǎn)電壓，V西 南部，是理想的方波，它繼電器到占空比和輸入電壓，V西 南部可以用下面的等式來(lái)表示，
圖1.降壓穩壓器拓撲。
地點(diǎn)：
V在是輸入電壓。D 是占空比，等于 V外/V在用于降壓穩壓器。
五世西 南部基波和諧波分量?jì)H取決于占空比，當V在是確定的。圖 2 顯示了 V西 南部基波和諧波幅度與占空比的關(guān)系。當占空比接近一半時(shí)，基波主導紋波幅度。
圖2.降壓穩壓器 V西 南部振幅與占空比。
降壓穩壓器輸出LC級傳遞函數如下：
其中L是輸出電感值，DCR是電感電阻值，CL是電感并聯(lián)容量值。
C外是輸出容量值。ESL是容量串聯(lián)電感。ESR是容量串聯(lián)電阻值。
所以 V外可以表示如下，
為了簡(jiǎn)化計算，我們假設輸出LC級每十倍頻程20 dB，然后是V外紋波基波和諧波幅度與占空比的關(guān)系，如圖3所示。當占空比接近一半時(shí)，三次或奇次諧波將高于偶次諧波。由于LC抑制，較高的諧波幅度較低，與總紋波幅度相比比例相當小。同樣，基波幅度是開(kāi)關(guān)穩壓器輸出紋波的主要成分。
圖3.降壓穩壓器 V外紋波幅度與占空比的關(guān)系。
對于降壓穩壓器，基波幅度與輸入有關(guān) 電壓、占空比、開(kāi)關(guān)頻率和LC級;然而所有這些參數都會(huì )影響應用程序要求，例如 效率和解決方案大小。為了進(jìn)一步減少紋波，增加了一個(gè)帖子 建議使用過(guò)濾器。
寬帶噪聲
開(kāi)關(guān)穩壓器中的寬帶噪聲是隨機幅度 輸出電壓上的噪聲。它可以用噪聲密度表示 V/√Hz 在整個(gè)頻率范圍內，或 V rms，這是密度的積分 頻率跨度。由于硅工藝和參考濾波器設計 限制，寬帶噪聲主要位于10 Hz至1 MHz 開(kāi)關(guān)穩壓器的頻率范圍，這可能很難 通過(guò)低頻范圍內的附加濾波器減少。
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，遠小于開(kāi)關(guān)紋波噪聲。如果使用額外的濾波器來(lái)降低開(kāi)關(guān)紋波噪聲，則寬帶噪聲可能成為開(kāi)關(guān)穩壓器輸出電壓中的主要噪聲。圖4所示為降壓穩壓器輸出噪聲的主要來(lái)源是沒(méi)有額外濾波器時(shí)的開(kāi)關(guān)紋波。圖5顯示，使用附加濾波器時(shí)，輸出噪聲的主要來(lái)源是寬帶噪聲。
圖4.V外無(wú)需額外的過(guò)濾器。
圖5.V外帶有一個(gè)額外的濾波器（使用1000×前置放大器進(jìn)行測量）。
為了識別和分析開(kāi)關(guān)穩壓器輸出寬帶噪聲，必須有穩壓器控制方案和塊噪聲信息。例如，圖6是典型的電流模式降壓穩壓器控制方案和阻斷噪聲源注入。
圖6.典型的電流模式降壓穩壓器控制方案。
通過(guò)采集控制環(huán)路傳遞函數和塊噪聲特性，有兩種不同的噪聲：環(huán)路輸入噪聲和環(huán)路內部噪聲。環(huán)路輸入噪聲將在控制環(huán)路帶寬內傳遞到輸出，而噪聲在環(huán)路帶寬外衰減。為開(kāi)關(guān)穩壓器設計低噪聲EA和基準電壓源至關(guān)重要，因為單位反饋增益將保持噪聲電平，而不是隨輸出電壓電平而增加噪聲電平。最大的挑戰是挖掘出整個(gè)系統中最大的噪聲源，并在電路設計中降低它。ADP5014針對低噪聲技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，采用電流模式控制方案和一個(gè)簡(jiǎn)單的LC外部濾波器，在10 Hz至1 MHz頻率范圍內實(shí)現了低于20 μV rms的噪聲性能。ADP5014的輸出噪聲性能如圖7所示。
圖7.ADP5014的輸出噪聲性能，內置一個(gè)LC濾波器。
高頻尖峰和振鈴
第三類(lèi)噪聲是高頻尖峰和振鈴噪聲，因為輸出電壓是由開(kāi)關(guān)穩壓器的導通或關(guān)斷瞬變產(chǎn)生的?？紤]硅電路和PCB走線(xiàn)中的寄生電感和容量;對于降壓穩壓器，快速電流瞬變會(huì )在SW節點(diǎn)上引起非常高的電壓尖峰和振鈴。尖峰和振鈴噪聲將隨著(zhù)電流負載的增加而增加。圖8顯示了降壓穩壓器的尖峰是如何形成的。根據開(kāi)關(guān)穩壓器的導通/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，因此輸出LC濾波器由于其寄生電感和電容而可能無(wú)法有效抑制。與上述所有關(guān)于導電路徑的討論相比，最糟糕的是來(lái)自SW和V的輻射噪聲在節點(diǎn)，由于其頻率非常高，這將影響輸出電壓和其他模擬電路。
圖8.降壓穩壓器高頻尖峰和振鈴噪聲。
為了降低高頻尖峰和振鈴噪聲，建議同時(shí)有效實(shí)現應用和硅設計。首先，在負載點(diǎn)使用額外的LC濾波器或磁珠。通常，這將使輸出端的尖峰噪聲遠小于紋波噪聲，但此決定會(huì )增加更高頻率的分量。其次，屏蔽或遠離來(lái)自輸出側和敏感模擬電路的SW和輸入節點(diǎn)的噪聲源，并屏蔽輸出電感。仔細的布局設計和放置將很重要。第三，優(yōu)化開(kāi)關(guān)穩壓器的導通/關(guān)斷壓擺率，最大限度地降低開(kāi)關(guān)穩壓器的寄生電感和電阻，以有效降低SW節點(diǎn)噪聲。ADI靜音切換器技術(shù)還有助于降低V?在通過(guò)硅設計實(shí)現節點(diǎn)噪聲。
開(kāi)關(guān)穩壓器PSRR
PSRR表示開(kāi)關(guān)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。極高頻噪聲主要影響通過(guò)輻射路徑的輸出電壓，而不是前面討論的導電路徑。
根據圖9中的降壓小信號圖，降壓PSRR可以表示為：
圖9.電流模式降壓小信號從輸入電壓到輸出。
哪里：
將信號模式計算與仿真結果進(jìn)行比較。小信號模式有效，與仿真結果匹配。
開(kāi)關(guān)穩壓器的PSRR性能取決于低頻范圍內的環(huán)路增益性能。開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)穩壓器在低頻時(shí)具有高環(huán)路增益，因此具有完美的PSRR性能，而固有的LC濾波器會(huì )影響中頻范圍。
圖 10.采用降壓小信號模式的PSRR計算結果。
圖 11.通過(guò) SIMPLIS 模式進(jìn)行 PSRR 仿真。
結論
越來(lái)越多的模擬電路，如ADC/DAC、時(shí)鐘和PLL，需要具有高電流的清潔電源。每個(gè)器件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(kāi)關(guān)穩壓器噪聲類(lèi)型并承認電源噪聲要求，以便設計和實(shí)現高效、低噪聲的開(kāi)關(guān)穩壓器，以滿(mǎn)足大多數模擬電路電源的低噪聲規格。與LDO穩壓器相比，這種低噪聲開(kāi)關(guān)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。
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