開關(guān)電源產(chǎn)生噪聲的原因與解決方案

從數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器到電信設(shè)備和工業(yè)系統(tǒng)，開關(guān)模式電源（SMPS）用于各種應(yīng)用，因?yàn)樗哂懈咝剩β拭芏群偷统杀镜目焖偎矐B(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。

然而，雖然提供許多優(yōu)點(diǎn)，但已知SMPS電源如開關(guān)降壓和升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器以及負(fù)載點(diǎn)（POL）調(diào)節(jié)器會(huì)產(chǎn)生噪聲。在尋求保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性和高性能的許多應(yīng)用中，這種噪聲是不希望的。

此外，為了通過更嚴(yán)格的新監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，電源產(chǎn)生的EMI必須保持低于以往的水平。

實(shí)際上，這些電源的開關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生許多不同類型的噪聲。之前有人認(rèn)為它們是由開關(guān)頻率引起的高頻噪聲的開關(guān)噪聲開關(guān)轉(zhuǎn)換，開關(guān)轉(zhuǎn)換后振鈴，以及在一個(gè)系統(tǒng)中運(yùn)行的多個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器引起的拍頻。

這里我們將研究開關(guān)穩(wěn)壓器和DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的這些不同類型的噪聲，并討論解決方案，包括濾波技術(shù)，以減少和最小化開關(guān)SMPS電源中的噪聲。

SMPS噪聲

根據(jù)Dostal，主要噪聲類型是由開關(guān)頻率產(chǎn)生的開關(guān)噪聲供應(yīng)。他說，通常，對(duì)于非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器，此噪聲的頻帶在500 kHz和3 MHz之間。

但是，由于它取決于開關(guān)頻率，因此可以使用低通濾波器輕松控制和濾除。開關(guān)噪聲會(huì)產(chǎn)生輸出紋波電壓，如圖1所示?？梢允褂脽o源LC低通濾波器或有源低通濾波器輕松濾除。

圖1：由開關(guān)穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率引起的輸出紋波電壓（頂部）。使用LC濾波器的衰減紋波電壓顯示在底部。

然而，在我們進(jìn)入濾波器設(shè)計(jì)之前，讓我們更詳細(xì)地檢查輸出紋波電壓。

如公式1所示，開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出紋波電壓可以通過電感電流紋波精確計(jì)算，電感電流紋波基于電感的實(shí)際電感值，開關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出電壓，開關(guān)頻率（fSW）和輸出電容（COUT） ）包括其等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）。

根據(jù)ADI的開關(guān)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)，在電感選擇方面存在一些折衷。例如，小電感器以較大的電感器電流紋波為代價(jià)提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)，而大電感器以較慢的瞬態(tài)響應(yīng)能力為代價(jià)導(dǎo)致較小的電感器電流紋波。

使用低ESR電容可最大限度地降低開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出紋波。具有電介質(zhì)X5R或X7R的陶瓷電容器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

雖然通常使用大電容來降低輸出紋波，但輸出電容的大小和數(shù)量可能會(huì)以成本和電路板空間為代價(jià)。

雖然像ADI和德州儀器這樣的半導(dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)創(chuàng)建了工具為了幫助設(shè)計(jì)人員根據(jù)輸入和輸出電壓規(guī)范選擇合適的開關(guān)轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器，包括開關(guān)頻率，無源元件供應(yīng)商為電源設(shè)計(jì)了LC設(shè)計(jì)工具。

例如，與NuhertzTechnologies合作，Coilcraft提供了一種設(shè)計(jì)工具，可以使用實(shí)際的Coilcraft電感值創(chuàng)建橢圓低通濾波器，而不僅僅是理想的元件。

它確保模擬濾波器接近真實(shí)世界濾波器的性能。由于輸出電壓紋波的頻率基于轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，因此低通LC濾波器的轉(zhuǎn)角或截止頻率必須低于轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率，以衰減輸出電壓紋波。

同樣，開關(guān)頻率產(chǎn)生的另一種噪聲是開關(guān)轉(zhuǎn)換噪聲，ADI的Dostal稱之為最具挑戰(zhàn)性的噪聲。

它與電流路徑中的寄生電感有關(guān)。它包括由印刷電路板（PCB）走線，IC封裝引線和多層PCB過孔以及芯片焊接線產(chǎn)生的寄生電感。

Dostal說，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一英寸的PCB走線有大約20 nH的寄生電感。該寄生電感產(chǎn)生偏移電壓，該公差可以使用公式V = L * di/dt容易地計(jì)算。

以下示例顯示了典型現(xiàn)代開關(guān)轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器中寄生電感產(chǎn)生的噪聲量。

由于今天的開關(guān)穩(wěn)壓器在輸出級(jí)采用了更快的開關(guān)MOSFET，因此ADI文章假設(shè)開關(guān)轉(zhuǎn)換速度在具有5A輸出電流的典型開關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中為30 ns。

使用上面的公式，20 nH寄生電感產(chǎn)生的電壓偏移為3.3 V.這個(gè)產(chǎn)生的偏移電壓將在開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出中顯示為不需要的噪聲，如圖2所示。

圖2：快速開關(guān)降壓穩(wěn)壓器中的寄生電感會(huì)導(dǎo)致高失調(diào)電壓，在輸出端出現(xiàn)不需要的噪聲。

顯然，寄生電感是這種噪音的關(guān)鍵因素。因此，必須通過適當(dāng)?shù)腜CB布局將其最小化，這又會(huì)降低偏移電壓。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)盡可能縮短PCB上的互連走線，并使用表面貼裝元件來消除封裝引線。由于此噪聲介于10 MHz和300 MHz之間，因此Dostal建議使用鐵氧體磁珠來衰減此噪聲。

電壓振鈴，節(jié)拍頻率

Parasitics還會(huì)產(chǎn)生另一種稱為電壓振鈴的噪聲 [2] 。它發(fā)生在開關(guān)節(jié)點(diǎn)的開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，并疊加在輸出紋波電壓上，如圖3所示。

圖3：開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓振鈴疊加在輸出紋波電壓上。 （由ADI公司提供）

幸運(yùn)的是，可以通過使用緩沖器或有源鉗位電路來減少它。包括電阻器和電容器的無源緩沖器將該振鈴的能量耗散到電阻器中并產(chǎn)生熱量。

另一方面，有源鉗位電路將振鈴的能量部分地饋回電路，從而提高電源的整體效率。

在部署多個(gè)開關(guān)轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器以產(chǎn)生多個(gè)電壓的系統(tǒng)中為了驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載，如處理器內(nèi)核，I/O接口，FPGA，ASIC和模擬電路，如果這些轉(zhuǎn)換器或POL穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率不同步，則拍頻是常見問題。

當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)使用N + 1冗余解決方案以獲得更高輸出功率或更高可靠性時(shí)，應(yīng)用中也會(huì)出現(xiàn)此問題。

現(xiàn)在，如果轉(zhuǎn)換器是非同步的，固定頻率切換大約為1 MHz，并且源是公共總線，它們往往會(huì)在稱為拍頻的輸入端產(chǎn)生低頻噪聲。

它會(huì)在音頻頻率上產(chǎn)生不需要的輸入AC紋波電流，從而產(chǎn)生不希望的聲音和紋波電流。

緩解此問題的一種簡單方法是使用ADI公司的集成同步開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器ADP5135采用單個(gè)封裝提供多開關(guān)降壓調(diào)節(jié)器，如圖4所示。

由于此類穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率與公共源同步，因此可消除非同步解決方案中出現(xiàn)的拍頻問題。

圖4：ADP5135在一個(gè)24引腳，4 mm×4 mm-LFCSP封裝中集成了三個(gè)高性能降壓調(diào)節(jié)器。 （由Analog Devices提供）

雖然在單個(gè)系統(tǒng)板上使用多開關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器會(huì)在這些電源的輸入和輸出上產(chǎn)生各種開關(guān)噪聲，如ADI公司和德克薩斯州等供應(yīng)商除其他外，儀器已經(jīng)生成了解決此類問題的簡單解決方案。