POL調(diào)節(jié)器中的輸入紋波和噪聲的來源是什么?

愛立信POL調(diào)節(jié)器通過使用如圖1所示的非隔離型同步降壓拓撲來實現(xiàn)。在降壓功率級的正常運作期間，QH和QL交替開關(guān)，開關(guān)次數(shù)由具有固定頻率PWM方案的控制電路來管理。由于輸出端的電感器/電容器組合作用，用于降壓功率級的輸出電流變得平滑。但是，由于在每個開關(guān)周期中功率開關(guān)QH電流從零至全負載進行脈動，使得用于降壓功率級的輸入電流是脈動或形成斬波。對于調(diào)節(jié)器的正確運作及最大限度地減少來自開關(guān)調(diào)節(jié)器的噪聲排放，輸入電容器顯然是至關(guān)重要的。

圖1 降壓轉(zhuǎn)換器的簡化原理圖和輸入波形

許多應(yīng)用使用了相當(dāng)傳統(tǒng)的中間總線架構(gòu)(IBA)，如圖2所示。在IBA中，電路板級中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)為多個POL調(diào)節(jié)器饋送電力，這些調(diào)節(jié)器的位置接近負載電路，并且提供最終運作電壓。所有這些開關(guān)轉(zhuǎn)換器在公用DC輸入總線產(chǎn)生紋波和噪聲，應(yīng)當(dāng)加以抑制。如果未有濾波，調(diào)節(jié)器的輸入紋波和噪聲可以達到足夠高的水平，干擾使用同一電源供電的其它設(shè)備。除了POL轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的輸入紋波和噪聲之外，IBC也具有自己的輸出電壓紋波和噪聲。

圖 2 在IBA中電路板級IBC為多個POL調(diào)節(jié)器饋送電力

因此，POL調(diào)節(jié)器上的輸入濾波器可發(fā)揮兩項重要的作用，一個作用是防止開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾到達電力線和影響其它設(shè)備，第二個作用是保護轉(zhuǎn)換器及其負載以避免輸入電壓中出現(xiàn)的瞬變，從而提高系統(tǒng)可靠性。

因此，POL調(diào)節(jié)器中的輸入紋波和噪聲的來源是什么?如何更好地設(shè)計輸入濾波器來緩減其發(fā)生?

穩(wěn)定性

在輸入端增添一個具有衰減特性足夠良好能夠滿足噪聲和紋波規(guī)范要求的濾波器，如果輸入濾波器僅由電容器(C)構(gòu)成，穩(wěn)定性不是問題。如果輸入濾波器還包括電感器(LC)，則必需檢查穩(wěn)定性：因為輸入濾波器改變了調(diào)節(jié)器的動態(tài)參數(shù)。輸出阻抗在某些頻率范圍可能變大，可能表現(xiàn)出共振，使得音頻的敏感性可能會降低。問題在于LC輸入濾波器可能影響轉(zhuǎn)換器的動態(tài)參數(shù)，通常會減低調(diào)節(jié)器的性能。

輸入濾波器設(shè)計中一個重要但常常被忽視的方面，就是要滿足Middlebrook規(guī)范。根據(jù)這項規(guī)范，如果輸入濾波器的輸出阻抗曲線遠遠低于輸入阻抗曲線，那么輸入濾波器便不會顯著改動轉(zhuǎn)換器環(huán)路增益，如公式1所示：

換句話說，為了避免振蕩，關(guān)鍵在于確保濾波器的峰值輸出阻抗Zo,Filter保持低于其輸入阻抗 Zi,POL。如圖3所示，POL調(diào)節(jié)器經(jīng)設(shè)計為負載提供恒定電壓，(幾乎)與負載電流無關(guān)。因此，調(diào)節(jié)器在控制器帶寬范圍內(nèi)的最小輸入阻抗Zi,POL,min如公式2計算所得：

此處：Vi是輸入電壓，Vo是輸出電壓，Io是穩(wěn)態(tài)輸出負載電流，而η是調(diào)節(jié)器的效率。

圖 3 輸入濾波器的輸出阻抗和調(diào)節(jié)器的輸入阻抗示例

輸入紋波和噪聲源

對于POL調(diào)節(jié)器，輸入紋波和噪聲具有三個分量，首個出現(xiàn)在通常稱作紋波的基礎(chǔ)開關(guān)頻率上。

第二個分量是輸入總線上的AC電壓偏移，這是由于POL模塊輸出上的負載瞬態(tài)變化造成的，這通常是一種持續(xù)時間為數(shù)百微秒等級的、具有數(shù)十kHZ等效頻率的低頻現(xiàn)象。

第三個噪聲分量與發(fā)生在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的高頻振鈴相關(guān)，POL以不連續(xù)脈沖電流的形式從輸入源中吸取功率過程中，它的開關(guān)動作產(chǎn)生了這類噪聲。這個分量的頻率等同于POL的開關(guān)頻率，它具有數(shù)個可擴展到MHz頻率范圍的諧波。

另一個在DC總線上的高頻噪聲源是IBC。反射的紋波和來自源轉(zhuǎn)換器的噪聲通常比POL模塊引起的紋波和噪聲小很多，這是由于典型IBC在輸出上具有LC濾波器，可以顯著減小紋波和噪聲。

因而，在輸入總線上生成的大多數(shù)紋波和噪聲的主要原因在于POL調(diào)節(jié)器，請留意所有愛立信POL調(diào)節(jié)器在模塊上都放置了陶瓷濾波電容器，可顯著減小紋波和噪聲。然而，通過在POL模塊的輸入總線上放置附加的電容器，可以進一步降低這些紋波和噪聲。

基礎(chǔ)開關(guān)頻率輸入紋波

對于降壓轉(zhuǎn)換器，在開關(guān)周期的導(dǎo)通部分，將輸出電感連接至輸入，在關(guān)斷期間則斷開。對于輸入端的恒定DC電壓，在QH導(dǎo)通期間的輸入電容器電荷數(shù)必需等于QH關(guān)斷期間的電容器電荷數(shù)，且兩者極性相反。圖1所示為輸入電容器波形，公式3則詳細說明降低紋波電壓幅度至可接受水平所需的陶瓷電容容量。紋波幅度隨著輸入電壓而變化，在50%占空比下為最大值。下面是公式3：

其中：Ci,min是最小所需陶瓷輸入電容；?Vi,pp 是最大允許峰-峰輸入紋波電壓；fsw是開關(guān)頻率，而D是上述定義的占空比。

輸入電壓紋波來源于等效串聯(lián)電阻ESR，可以按照如下公式4估算：

其中：?Vi,ESR是輸入電容器ESR引起的輸入電壓紋波，ESRi 是輸入電容器的ESR，?Ipp 是最大輸出電流紋波。

根據(jù)這些公式，為了降低輸入紋波，可以增加電容或減小輸入電容器的ESR。陶瓷電容器通常具有很低的ESR，并且對于輸入電壓紋波幾乎沒有影響。

輸入濾波電容器承載電流的AC組成部分，大多數(shù)紋波電流都會流經(jīng)已經(jīng)放置在模塊中的陶瓷電容器，然而，AC紋波電流的一部分也來自于輸入總線，而輸入總線大多數(shù)是由外部輸入電容器提供的。因而，注意RMS額定電流不要超出所選擇的外部電容器。

總體RMS電流ICi,RMS分布在外部和內(nèi)部輸入電容器之間，計算如下公式5：

請留意RMS電流可以通過愛立信電源設(shè)計人員(EPD)工具中的同步/相位展開功能來計算。

輸出瞬變帶來的低頻率噪聲

當(dāng)設(shè)計使用共享的大容量輸入電容器組，并且包括單一或多個POL模塊的系統(tǒng)時，第一步是計算輸入瞬態(tài)電流的幅度，這是通過計算每個POL模塊的輸出瞬變的反射輸入瞬變電流得到的。在計算每個模塊的個別輸入瞬變之后，將它們相加以得到總體瞬變電流。在計算時，必需確定所有模塊的最差情形瞬變組合，并且相應(yīng)地處理。通過以下公式6計算輸入電流瞬變幅度?Ii：

此處：?Ii是輸入瞬變電流，?Io 是輸出瞬變電流。

接下來，確定在輸入電容器上的最大允許電壓偏差?Vtr。

這是步驟一計算的峰值瞬變期間的最大允許下降，下述公式7計算最小所需輸入電容Ci,tr,min。

此處：Lftotal 是串行濾波器電感加上雜散電感，如果沒有使用濾波器電感電感濾波器，便必需把雜散電感 Lsrc,計算在內(nèi)。

請留意這個公式是計算近似值，它生成的數(shù)值應(yīng)當(dāng)被認為是絕對最小值。選擇電容器數(shù)值以滿足所需總體電容時，應(yīng)當(dāng)考慮溫度和DC偏壓和紋波電流降額等其它因素的影響，這些因素可能會降低實際的數(shù)值。

高頻噪聲

DC-DC轉(zhuǎn)換器中的高頻輸入噪聲是在高頻振鈴過程中產(chǎn)生，或者與轉(zhuǎn)換器功率級的寄生元件有關(guān)。存儲在寄生元件中的能量在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間振蕩或振鈴，這類噪聲通常為數(shù)百MHz。

鋁電解和鉭電容器具有高等效串聯(lián)電阻(ESR)值，因此，通常并不適合解耦POL模塊的噪聲和紋波。然而，它們能夠配合陶瓷電容器組合，用于抑制負載瞬變引起的較低頻率紋波等其它用途。 對于高頻衰減，必需選擇針對紋波電流能力并具有低ESL和低ESR的電容器。為了降低模塊輸入端的高頻電壓尖峰，在模塊的輸入端應(yīng)當(dāng)放置小封裝陶瓷電容器。

在處理高頻開關(guān)紋波和噪聲方面，布局也是很重要的。陶瓷電容器應(yīng)當(dāng)盡可能靠近POL調(diào)節(jié)器，如圖4所示，如果需要，在其后面應(yīng)接著低ESR聚合物和鋁電解電容器。

應(yīng)該通過使用較寬的跡線或形狀及并行板，最大限度地減小雜散電感。

由于RMS電流將由多個輸入電容器分享，建議挑選在開關(guān)頻率下，阻抗相比鉭電容和/或鋁電解電容器低很多的陶瓷電容器。這將確保大部分RMS紋波電流將會流經(jīng)陶瓷電容器，而不會通過具有高ESR的鉭電容器和/或鋁電解電容器。

請留意X5R多層陶瓷電容器(MLCC)具有高電容，但是電容會在50%以上的額定電壓下顯著減小。X7R電容器對比DC電壓和溫度的典型電容變化如圖5和圖6所示?？梢钥吹?，在-55 °C至 125 °C溫度范圍，X7R電容器僅僅變化±15%。然后，必需找到在寬溫度范圍保持穩(wěn)定性的應(yīng)用。因此，由于X7R具有良好的溫度和電壓系數(shù)，因而是優(yōu)選的介電材料。由于碎裂問題，應(yīng)當(dāng)避免MLCC大于1210，還必需觀察電容器制造商的焊接和處理指令。

圖 4. 顯示輸入電容器的放置的BMR 463模塊布局示例

具有超低紋波和噪聲的輸入DC總線

根據(jù)應(yīng)用，有時設(shè)計人員會選擇在分布式總線和開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸入之間插入一個電感器，以防止噪聲耦合進入電路板上的其它電路。在這樣的情況下，使用一個具有小電感和小電容組合的濾波器，就是最節(jié)省成本和空間的最好解耦方法，參見圖7。濾波器電路中的電感器增加了輸入總線的源電阻，選擇電感器的數(shù)值時，應(yīng)當(dāng)以滿足公式1為準則。

圖5. X7R電容器對比DC電壓的典型電容變化

圖6. X7R電容器對比溫度的典型電容變化

圖7.結(jié)合電感器和電容器組合的濾波器的電路圖

相位展開

當(dāng)多個POL調(diào)節(jié)器共享一個DC輸入電源時，最好是調(diào)節(jié)每個器件的時鐘相位偏移，使得各器件的上升邊緣并不一致。為了實現(xiàn)相位展開，所有轉(zhuǎn)換器都必需根據(jù)相同的開關(guān)時鐘進行同步。

在相位展開電源中，并行調(diào)節(jié)器在特定的相位角度開關(guān)。這些角度均勻地分布，因而可最大限度地消除紋波電流，針對輸入電容器RMS電流ICi,RMS的通用公式近似這樣：

在上述公式（8）中：m=floor(ND)，floor函數(shù)傳回低于或等于輸入數(shù)值ND的最大整數(shù)，N是有效相位的數(shù)目。

圖8. 常規(guī)化RMS輸入紋波電流對比占空比

圖8顯示在負載電流上的正?；斎爰y波電流RMS數(shù)值對比具有不同有效相位數(shù)目的占空比。

從公式7和公式8看出，輸入紋波電流的消除與相位和占空比的數(shù)目相關(guān)，增加更多相位通?？蓪崿F(xiàn)更大的紋波削減。電容器ESR使得大紋波電流將會在輸入電容器中引起很高的功耗，也會縮短電容器的使用壽命。除了減小輸入RMS電流，交錯也會減小峰-峰電流。

輸入電容器的開關(guān)電流通常是高頻噪聲的主要來源，通過降低開關(guān)電流幅度可以降低電流轉(zhuǎn)換速率，同時可為高邊MOSFET提供AC電流，從而減小噪聲。輸入紋波的頻率也高于單相運作的頻率。較高的頻率可以減小輸入濾波器的體積和成本。

公式8定義了通過相位展開將紋波電壓幅度降低至可接受水平所需的輸入電容。

在下面公式（9）中,ΔVi,pp 是輸入電容所貢獻的可接受輸入電壓紋波，這是濾除大部分脈沖電流的輸入電容。

根據(jù)下面公式（10）可以估算出輸入電容器件ESRi 的 ESR所引起的輸入電壓紋波。