與傳統(tǒng)低壓差穩(wěn)壓器（LDO）相比，開關(guān)電源（SMPS）的高效優(yōu)勢(shì)顯而易見。但也因其開關(guān)特性，開關(guān)電源在開關(guān)頻率和諧波處會(huì)產(chǎn)生噪聲。對(duì)于輸出電壓紋波大于1-2mV的應(yīng)用，可以采用低ESR陶瓷電容的單級(jí)電容濾波器。本文首先給攻城獅們介紹如何合理設(shè)計(jì)單級(jí)濾波器，最大限度改善輸出噪聲。

單級(jí)濾波器設(shè)計(jì)

圖1：同步降壓調(diào)節(jié)器的連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）

為了最大限度地降低輸出電壓紋波，我們假設(shè)Buck降壓變換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）。滿足電感電流紋波要求的最小電感量可通過以下公式計(jì)算得出：

其中，

VIN 和 VOUT分別代表輸入和輸出電壓，

D = VOUT/ VIN 代表占空比，

IL,p--p代表電感電流紋波峰-峰值，通常按輸出電流的20-40%來估算。

fSW代表開關(guān)頻率。

在穩(wěn)態(tài)下，電容在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的凈電荷為零。圖1陰影區(qū)域的電容電荷計(jì)算公式為：

其中，T為開關(guān)切換周期。

根據(jù)定義，給定周期內(nèi)的電容電荷也可表示為：

公式（2）代入公式（3），滿足輸出電壓紋波峰-峰值（VOUT,p--p）所需的最小電容為：

在理想情況下，并聯(lián)更多的輸出電容可以降低對(duì)地的高頻阻抗，從而減小輸出紋波。而實(shí)際上，輸出電容器是橫放在印刷電路板上的，如果在印刷電路板上增加過多的輸出電容，會(huì)給并聯(lián)電路增加額外的寄生電感和交流電阻，旁路開關(guān)噪聲的效果逐漸變差。

仿真實(shí)例

MPS公司的電源模塊產(chǎn)品 -- MPM3833C，通過集成電感，大大簡化了電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)，典型PCB布局如圖2所示。

圖2：MPM3833C電源模塊典型PCB布局

其中，輸出功率路徑進(jìn)行了大面積鋪銅，可以最大限度地降低功率損耗。隨著放置在輸出平面上的電容器越來越多，附加電容器與電源模塊輸出引腳之間的距離也越來越大。因此，在離電源模塊較遠(yuǎn)的輸出電容中，會(huì)產(chǎn)生更多的寄生電感，使得輸出電容的作用越來越小。最終遠(yuǎn)端電容的高頻對(duì)地回路以寄生電感為主。

為了驗(yàn)證回路中寄生電感的影響，本文利用Simplis對(duì)MPM3833C進(jìn)行了不同的輸出電容仿真演示。圖3展示了只用一個(gè)22μF輸出電容的輸出紋波?？梢钥闯?，輸出電容的確可以降低輸出紋波。在5V輸入，1.2V 輸出和2A 負(fù)載時(shí)，輸出紋波約為3mV。

圖3：用一個(gè)22μF輸出電容的MPM3833C所產(chǎn)生的輸出紋波

圖4：MPM3833C輸出電壓紋波對(duì)比圖

為了進(jìn)一步降低輸出電壓紋波，可以在輸出端再增加一個(gè)22μF的輸出電容。由于新增的電容器必須放置在離電源模塊更遠(yuǎn)的地方，假設(shè)每個(gè)增加的輸出電容將向回路引入0.5nH的寄生電感，則新增電容器所引入的寄生電感為1nH。

圖4a給出了四個(gè)22μF輸出電容的輸出電壓仿真波形圖，輸出電壓紋波只降到2mV。與圖3所示的波形圖相比，一個(gè)22μF輸出電容器可將輸出電壓紋波有效降至3mV，而四個(gè) 22μF輸出電容器的效果其實(shí)并不明顯。圖4b顯示5x22μF電容器的輸出電壓紋波。與使用4x22μF的情況相比，再多增加一個(gè)電容器后，能改善輸出紋波峰峰值作用微乎其微。

從圖3和圖4的演示可知，PCB上添加的電容器越多，PCB鋪銅或走線所產(chǎn)生的寄生電感就越多。最終，增加更多電容器的作用被回路中不斷增加的附加寄生電感所抵消。

采用低ESR陶瓷電容的單級(jí)電容濾波器，可以滿足輸出電壓紋波大于1-2mV的應(yīng)用。但是對(duì)于像RF ADC和 DAV這樣的應(yīng)用，其紋波要求小于1mV。無法用單級(jí)濾波電路滿足應(yīng)用要求。