理解輸出電壓紋波和噪聲：高頻噪聲分量的來源和抑制

第一部分：輸出電壓噪聲

輸出電壓波形中除了開關(guān)頻率分量的紋波以外，還存在高頻噪聲分量，如圖1所示。高頻噪聲是如何形成的呢？主要是由電路中的寄生參數(shù)造成的。在實(shí)際電路中，PCB走線存在寄生電感和電阻，輸入輸出電容會(huì)引入寄生電感和電阻，兩個(gè)不同電位的平面之間會(huì)形成寄生電容。以Buck電路為例，上下管切換的瞬間，輸入回路中的寄生電感與開關(guān)管的輸出電容諧振。因此，開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW在上升和下降沿會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩，且寄生參數(shù)越大，振蕩的幅度也越大，甚至損壞開關(guān)管。該高頻振蕩會(huì)通過SW節(jié)點(diǎn)與輸出VOUT之間的寄生電容耦合到輸出電壓，也就是輸出電壓中的高頻噪聲。

圖1. Buck電路的寄生參數(shù)

第二部分：輸出電壓噪聲的抑制

了解高頻噪聲的來源和耦合途徑，可以幫助我們有針對(duì)性地抑制輸出電壓噪聲。下面分別介紹如何通過噪聲源和耦合途徑來抑制輸出電壓噪聲。

針對(duì)噪聲源，有如下幾種抑制方法：

PCB布板時(shí)盡量減小輸入高di/dt回路

Buck電路的輸入回路由輸入電容CIN, 上管HS和下管LS組成。 HS和LS的開關(guān)動(dòng)作導(dǎo)致輸入環(huán)路電流的非連續(xù)性，引起SW電壓的振蕩。 輸入環(huán)路越大，振蕩越嚴(yán)重，開關(guān)管的電壓應(yīng)力越大。將輸入電容盡可能靠近HS和LS，保證輸入環(huán)路盡最小，可有效降低開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW的振蕩，如圖2所示。

圖2. 輸入電容位置對(duì)輸出電壓噪聲的影響

使用TI HotRod 封裝產(chǎn)品

HotRod 封裝技術(shù)將芯片內(nèi)部的die倒置，通過銅柱直接連接die 和lead frame，消除了使用wire bond引入的寄生電感，減小SW節(jié)點(diǎn)的振蕩，例如LMR33630。另外，如圖4所示，HotRod封裝有兩個(gè)電源VIN引腳和兩個(gè)接地GND引腳，分別位于封裝的兩端。這種引腳分配可以減少VIN和GND回路造成的寄生環(huán)路電感。如果在器件的兩邊都有對(duì)稱布局的輸入電容，等效寄生回路電感則會(huì)減半（兩個(gè)相等的并聯(lián)電感）。這可以有效地減少高的di/dt 產(chǎn)生的噪聲，相當(dāng)于高頻濾波。

圖3. TI Hotrod 封裝技術(shù)

圖4. LMR33630 對(duì)稱輸入降低

使用TI電源模塊產(chǎn)品

由于Layout的限制，輸入電容無法無限靠近Buck 芯片。TI的電源模塊產(chǎn)品集成高頻輸入電容和電感，進(jìn)一步減小輸入回路和SW節(jié)點(diǎn)的面積，降低噪聲，如圖5所示。

圖5. TI電源模塊產(chǎn)品

針對(duì)耦合途徑，有如下幾種抑制方法：

選擇寄生電容較小的電感

理想電感對(duì)高頻噪聲呈現(xiàn)很大的阻抗，因此輸出電壓中的噪聲很小。但是，實(shí)際電感存在寄生電容，噪聲會(huì)通過耦合電容，耦合到輸出電壓。因此，選擇耦合電容較小的電感，在一定程度上可抑制輸出電壓噪聲。

圖6.噪聲耦合途徑

并聯(lián)高頻濾波電容

直觀地理解，輸出電壓噪聲等于SW噪聲在輸出電容阻抗和輸出電感阻抗的分壓。也就是說，輸出電容在噪聲頻率處的阻抗越小，耦合到輸出的噪聲就越小。但是，多個(gè)電容并聯(lián)后，輸出電容的阻抗曲線會(huì)存在多個(gè)諧振點(diǎn)。如圖7所示，增加高頻電容后，在諧振點(diǎn)處，阻抗最小; 諧振點(diǎn)之前，阻抗變大; 諧振點(diǎn)之后，阻抗變小。因此，并非增加高頻電容就一定能減小輸出噪聲。噪聲頻率位于諧振點(diǎn)處，輸出噪聲最小。如圖8所示，增加220pF的電容，電壓噪聲反而增加了。因此，選擇合適的輸出電容至關(guān)重要。

圖7.輸出并聯(lián)高頻濾波電容的阻抗特性

圖8. 不同電容對(duì)輸出電壓噪聲的影響

綜上所述，理解輸出電壓噪聲的形成原理，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，選擇先進(jìn)的封裝技術(shù)/電源模塊產(chǎn)品、優(yōu)化PCB布局、增加濾波電容可有效降低輸出電壓噪聲，滿足應(yīng)用需求。

審核編輯：郭婷