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

介紹

一般來說，與低壓差 （LDO） 穩(wěn)壓器輸出相比，傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)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(shè)計更加復雜。對開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲的全面認識是必要的，并且有助于設(shè)計低噪聲開關(guān)解決方案以產(chǎn)生與 LDO 穩(wěn)壓器相同水平的低噪聲性能。具有電流模式控制的降壓穩(wěn)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(guān)紋波噪聲、當前寬帶噪聲特性及其來源以及開關(guān)引起的高頻尖峰噪聲的主要方法。

開關(guān)紋波噪聲

本節(jié)介紹與基波和諧波理論相關(guān)的降壓轉(zhuǎn)換器輸出紋波計算公式。

根據(jù)開關(guān)穩(wěn)壓器的拓撲結(jié)構(gòu)和基本操作，紋波始終是開關(guān)穩(wěn)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(guān)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(wěn)壓器。由于兩個開關(guān)交替打開和關(guān)閉，SW 節(jié)點電壓 VSW 是一個理想的方波，它與占空比和輸入電壓有關(guān)，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(wěn)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(guān)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(wěn)壓器 VSW 幅度與占空比

降壓穩(wěn)壓器輸出 LC 級傳遞函數(shù)如下：

為了簡化計算，我們假設(shè)輸出 LC 級每十倍頻為 20 dB，然后是與占空比相關(guān)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(guān)穩(wěn)壓器輸出紋波中的主要成分。

降壓穩(wěn)壓器 V OUT 紋波幅度與占空比。

對于降壓穩(wěn)壓器，基波幅度將與輸入電壓、占空比、開關(guān)頻率和 LC 級有關(guān)；然而，所有這些參數(shù)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(guān)穩(wěn)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(nèi)的噪聲密度

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

典型的降壓穩(wěn)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(guān)紋波噪聲。如果您使用額外的濾波器來降低開關(guān)紋波噪聲，那么寬帶噪聲可能會成為開關(guān)穩(wěn)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(wěn)壓器輸出噪聲的主要來源是開關(guān)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(guān)穩(wěn)壓器輸出寬帶噪聲，需要有穩(wěn)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(wěn)壓器控制方案和阻止噪聲源注入。

典型的電流模式降壓穩(wěn)壓器控制方案。

通過獲得的控制環(huán)路傳遞函數(shù)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(nèi)噪聲。環(huán)路輸入噪聲將在控制環(huán)路帶寬內(nèi)傳輸?shù)捷敵龆?，而噪聲在環(huán)路帶寬外會衰減。為開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計低噪聲 EA 和基準至關(guān)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(zhàn)是在整個系統(tǒng)中挖掘出最大的噪聲源并在電路設(shè)計中減少它。ADP5014 _針對低噪聲技術(shù)進行了優(yōu)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(nèi)實現(xiàn)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(guān)開關(guān)的開啟或關(guān)閉瞬態(tài)產(chǎn)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(wěn)壓器的 SW 節(jié)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(wěn)壓器的尖峰是如何形成的。根據(jù)開關(guān)的開啟/關(guān)閉壓擺率，最高尖峰和振鈴頻率將在 20 MHz 至 300 MHz 范圍內(nèi)，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(guān)于導電路徑的討論相比，最糟糕的是來自 SW 和 VIN 節(jié)點的輻射噪聲，

降壓穩(wěn)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(shè)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(cè)和敏感的模擬電路屏蔽或遠離SW和輸入節(jié)點的噪聲源，屏蔽輸出電感。仔細的布局設(shè)計和布局將很重要。第三，優(yōu)化開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)壓擺率，最大限度地降低開關(guān)的寄生電感和電阻，有效降低SW節(jié)點噪聲。ADI Silent Switcher ?技術(shù)還有助于通過硅設(shè)計降低 VIN 節(jié)點噪聲。

開關(guān)穩(wěn)壓器 PSRR

PSRR 代表了開關(guān)穩(wěn)壓器從輸入電源噪聲到輸出的抑制能力。本節(jié)分析降壓穩(wěn)壓器在低頻范圍內(nèi)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(jù)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(huán)傳遞函數(shù)

使用降壓小信號模式的 PSRR 計算結(jié)果。

通過 SIMPLIS 模式進行 PSRR 仿真。

將信號模式計算與仿真結(jié)果進行比較。小信號模式有效且與仿真結(jié)果相匹配。

開關(guān)穩(wěn)壓器的 PSRR 性能取決于低頻范圍內(nèi)的環(huán)路增益性能。開關(guān)穩(wěn)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(nèi)，這將比 LDO PSRR 好得多。因此，開關(guān)穩(wěn)壓器因其在低頻的高環(huán)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(jié)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(shè)備對不同頻率范圍內(nèi)的電源噪聲都有不同的要求和規(guī)格。有必要全面了解不同的開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲類型并確認電源噪聲要求，以便設(shè)計和實現(xiàn)高效且低噪聲的開關(guān)穩(wěn)壓器，以滿足大多數(shù)模擬電路電源的低噪聲規(guī)范。與 LDO 穩(wěn)壓器相比，這種低噪聲開關(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。

審核編輯：郭婷