如何優(yōu)化超低噪聲μModule穩(wěn)壓器的二階輸出濾波器

問題

能否進(jìn)一步降低超低噪聲μModule^?穩(wěn)壓器的輸出開關(guān)噪聲？

回答

使用二階輸出濾波器可將超低噪聲μModule穩(wěn)壓器的輸出噪聲降低90%以上。選擇電容和電感元件時(shí)必須謹(jǐn)慎，以確?？刂苹芈纺軌蚩焖偾曳€(wěn)定地運(yùn)作。這種設(shè)計(jì)對(duì)于無(wú)線和射頻應(yīng)用特別有益，因?yàn)榭焖偎矐B(tài)響應(yīng)可有效縮短系統(tǒng)消隱時(shí)間并提升信號(hào)處理效率。此方法的噪聲水平與LDO相當(dāng)，效率堪比開關(guān)穩(wěn)壓器。

圖1 電流模式降壓穩(wěn)壓器以及二階LC及其典型波特圖

簡(jiǎn)介

噪聲敏感器件的功耗不斷提高。醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)、5G收發(fā)器和自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)等應(yīng)用需要在面積較小的PCB上實(shí)現(xiàn)高輸出電流（＞5 A）、低噪聲水平和高帶寬。由于對(duì)輸出電流的需求較高，以前使用的傳統(tǒng)雙級(jí)（降壓+低壓差(LDO)穩(wěn)壓器）解決方案需要的PCB面積較大，導(dǎo)致功耗較高，因此不太受歡迎。

LTM4702超低噪聲μModule穩(wěn)壓器采用ADI公司專有的Silent Switcher?技術(shù)，兼具超快瞬態(tài)響應(yīng)和超低噪聲特性。得益于此，該器件的效率可與同步開關(guān)穩(wěn)壓器相媲美，是大電流和噪聲敏感型應(yīng)用的理想選擇。在許多應(yīng)用中，該解決方案可以省去LDO電路，從而節(jié)省約60%的LDO成本、至少4 W的LDO功耗以及2 cm2以上的LDO PCB空間（包括間隙）。

眾所周知，對(duì)于某些要求開關(guān)頻率紋波非常小的應(yīng)用，二階LC濾波器可以降低輸出電壓的開關(guān)頻率諧波。然而，若是既要盡量減小開關(guān)紋波，又要維持控制環(huán)路穩(wěn)定和其高帶寬，僅依靠這種方法是不可行的，未經(jīng)優(yōu)化的LC濾波器會(huì)使控制環(huán)路變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致輸出振蕩。本文先分析了二階LC濾波器的簡(jiǎn)化環(huán)路，然后提出了用于指導(dǎo)電容分配和電感計(jì)算的直觀設(shè)計(jì)方法，最后通過LTM4702設(shè)計(jì)示例驗(yàn)證了所提出的設(shè)計(jì)方法。

二階LC輸出濾波器設(shè)計(jì)的環(huán)路分析

在電流模式降壓穩(wěn)壓器中，輸出阻抗是控制對(duì)象。圖1為二階LC的電路及其典型波特圖。為了在有負(fù)載時(shí)仍能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)直流電壓，需要檢測(cè)V_OUT遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)B。

從V_OUT到i_LO的轉(zhuǎn)換函數(shù)為：

從轉(zhuǎn)換函數(shù)（公式1）可知，二階LC濾波器會(huì)引入頻率為諧振頻率的雙極點(diǎn)。

從圖1中的典型波特圖可以看出，在諧振頻率處存在陡峭的90°相位延遲。為確保穩(wěn)定性，諧振頻率應(yīng)比控制環(huán)路帶寬高4到5倍，這是為了避免可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的90°相位延遲。此外，為使開關(guān)頻率紋波衰減到足夠低的水平，此諧振頻率應(yīng)設(shè)置為開關(guān)頻率的1/5到1/4，以便LC濾波器能夠提供足夠的濾波效果。開關(guān)頻率下的衰減增益和控制環(huán)路帶寬之間存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。但這種方法有助于選擇諧振頻率，并確定合適的LC值。

為了保持相似的負(fù)載瞬態(tài)性能，添加LC濾波器前后的輸出阻抗應(yīng)該保持一致。換句話說，無(wú)論有沒有LC濾波器，輸出電容都應(yīng)該大致相同。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，圖1中C2的電容值可以與未使用LC時(shí)相似，而C1可以使用小得多的電容，以便C1可以主導(dǎo)諧振頻率位置。由于C1遠(yuǎn)小于C2，公式2可以簡(jiǎn)化為公式3：

建議C1至少為C2值的十分之一。選定C1之后，就可以使用公式3中的諧振頻率計(jì)算出Lf值。通過檢查實(shí)際元件的可用性，可以確定合適的C1和Lf值。

元件選擇注意事項(xiàng)

在有效二階LC濾波器設(shè)計(jì)中，電容和電感元件的選擇至關(guān)重要。二階LC濾波器需要在開關(guān)頻率下提供足夠大的衰減。超低噪聲μModule穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率較高，約為1 MHz至3 MHz，因此二階LC中的電感和電容需具備良好的高頻特性。C2的選擇要求與沒有LC的設(shè)計(jì)類似，因此這里不作討論。C1和Lf的選擇標(biāo)準(zhǔn)如下。

■   C1電容的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

1.C1的自諧振頻率必須高于開關(guān)頻率。開關(guān)頻率下C1的阻抗是二階LC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。建議使用陶瓷電容，其自諧振頻率可參考其阻抗與頻率的關(guān)系曲線來(lái)確定。通常，典型的0603或0805尺寸陶瓷電容是理想選擇，其自諧振頻率必須在3 MHz以上。

2.為了承受所需電流，RMS電流額定值應(yīng)足夠高。假設(shè)所有交流紋波都經(jīng)過C1，那么陶瓷電容應(yīng)能處理較大的RMS紋波電流。可參考陶瓷電容的溫升與電流的關(guān)系曲線來(lái)確定其電流能力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，對(duì)于0603尺寸的電容器，約4 A rms是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

■   Lf電感的選擇標(biāo)準(zhǔn)

1.對(duì)于8A以下的輸出電流，建議使用鐵氧體磁珠，因?yàn)樗哂辛己玫母哳l特性且尺寸緊湊。鐵氧體磁珠也有助于抑制極高頻率的尖峰1。對(duì)于8 A以上的輸出電流，或者需要較大電感，可能很難找到合適的鐵氧體磁珠，因此建議使用傳統(tǒng)的屏蔽電感。

2.選擇RMS電流額定值足夠大的鐵氧體磁珠/電感，例如，對(duì)于8 A以下的輸出電流，選擇RMS電流額定值為8 A的電感。建議所選器件的電感值小于μModule器件電感值的10%。

超低噪聲μModule設(shè)計(jì)示例

圖2為L(zhǎng)TM4702的設(shè)計(jì)示例。該方案兼具超低電磁干擾(EMI)輻射和超低有效值噪聲特性，開關(guān)頻率可在300 kHz至3 MHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在設(shè)計(jì)示例中，開關(guān)頻率設(shè)置為2 MHz，以優(yōu)化12 VIN至1 VOUT應(yīng)用的噪聲性能。根據(jù)所提出的LC濾波器設(shè)計(jì)方法，二階LC的諧振頻率設(shè)置為400 kHz至500 kHz，是開關(guān)頻率的1/5至1/4。

圖2 LTM4702示例電路和電路板照片

目標(biāo)控制環(huán)路帶寬為100 kHz，LC諧振頻率是其4到5倍；C1使用兩個(gè)0603 4.7 μF電容；鐵氧體磁珠BLE18PS080SH1用作Lf，其尺寸為0603，如圖2所示；C2仍使用兩個(gè)1206 100 μF陶瓷電容；諧振頻率為424 kHz。

噪聲測(cè)量對(duì)比如圖3所示。在2 MHz開關(guān)頻率下，無(wú)LC的輸出開關(guān)紋波為234 μV，添加0603鐵氧體磁珠后大幅降低至15 μV。

圖3 無(wú)LC的開關(guān)噪聲(234 μV)與有LC的開關(guān)噪聲(15 μV)

為盡可能降低噪聲而添加的二階LC濾波器，能夠?qū)⒖刂骗h(huán)路帶寬維持在100 kHz，并保持快速瞬態(tài)響應(yīng)，恢復(fù)時(shí)間小于10 μs。這些結(jié)果可以通過對(duì)比有無(wú)LC濾波器的實(shí)驗(yàn)評(píng)估來(lái)確認(rèn)。由于恢復(fù)時(shí)間在10 μs內(nèi)，消隱時(shí)間可以忽略不計(jì)，這對(duì)于無(wú)線和射頻應(yīng)用是非常不錯(cuò)的表現(xiàn)。ADI公司的LTM4702幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)者解決了負(fù)載瞬態(tài)消隱時(shí)間挑戰(zhàn)，避免了信號(hào)處理效率低下的問題。

圖4的負(fù)載瞬態(tài)波形驗(yàn)證了添加二階LC濾波器后，設(shè)計(jì)具有快速瞬態(tài)響應(yīng)，并且恢復(fù)時(shí)間在10 μs內(nèi)，與沒有此濾波器的設(shè)計(jì)示例相比也毫不遜色。

圖4 負(fù)載瞬態(tài)結(jié)果：無(wú)LC與有LC（恢復(fù)時(shí)間在10 μs內(nèi)）

結(jié)論

如何在支持大電流應(yīng)用的同時(shí)盡量減少噪聲，并確保高效率和穩(wěn)定性，是一項(xiàng)棘手難題。添加二階LC濾波器可以顯著降低噪聲，但如果優(yōu)化不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。為了在不影響穩(wěn)定性的前提下盡可能地降低噪聲，應(yīng)使用優(yōu)化的二階LC濾波器?；陂_關(guān)頻率、控制環(huán)路帶寬和諧振頻率精心選擇所需的電感和電容元件，可以有效降低開關(guān)噪聲，同時(shí)保持快速瞬態(tài)響應(yīng)和高帶寬特性。

參考文獻(xiàn)

1 Jim Williams.“AN101：盡可能地減少線性穩(wěn)壓器輸出中的開關(guān)穩(wěn)壓器殘留物”。凌力爾特，2005年7月。

作者簡(jiǎn)介

Zhijun Qian是ADI公司電源模塊高級(jí)設(shè)計(jì)經(jīng)理，負(fù)責(zé)所有LTM80xx產(chǎn)品和部分LTM46xx/LTM47xx產(chǎn)品。他擁有浙江大學(xué)電力電子學(xué)士學(xué)位和碩士學(xué)位，以及美國(guó)中佛羅里達(dá)大學(xué)電力電子博士學(xué)位。他于2010年初加入ADI公司。

Jennifer Joseph是ADI工業(yè)和多市場(chǎng)業(yè)務(wù)部的高級(jí)設(shè)計(jì)評(píng)估工程師，主要負(fù)責(zé)電源模塊業(yè)務(wù)。她于2015年獲得印度Jeppiaar工程技術(shù)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)士學(xué)位，并于2018年獲得美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。畢業(yè)后，Jennifer曾擔(dān)任產(chǎn)品工程師三年，后于2021年加入了ADI公司。