如何用濾波器堵住開關(guān)電源的噪聲？資料下載

開關(guān)電源幾乎用于所有電子設(shè)備中。它們由于尺寸小、成本低和效率高而具有極高的價(jià)值。但是，它們最大的缺點(diǎn)就是高開關(guān)瞬態(tài)導(dǎo)致高輸出噪聲。這個(gè)缺點(diǎn)使它們無法用于以線性穩(wěn)壓器供電為主的高性能模擬電路中。實(shí)踐證明，在很多應(yīng)用中，經(jīng)過適當(dāng)濾波的開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以代替線性穩(wěn)壓器從而產(chǎn)生低噪聲電源。哪怕在要求極低噪聲電源的苛刻應(yīng)用中，上游電源樹的某個(gè)地方也有可能存在開關(guān)電路。因此，有必要設(shè)計(jì)經(jīng)過優(yōu)化和阻尼處理的多級(jí)濾波器，來消除開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的輸出噪聲。此外，了解濾波器設(shè)計(jì)如何影響開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的補(bǔ)償也很重要。 本文示例電路將采用升壓轉(zhuǎn)換器，但結(jié)果可以直接應(yīng)用于任意DC-DC轉(zhuǎn)換器。圖1所示為升壓轉(zhuǎn)換器在恒定電流模式(CCM)下的基本波形。 圖1. 升壓轉(zhuǎn)換器的基本電壓和電流波形 輸出濾波器對(duì)升壓拓?fù)浠蚱渌魏螏в袛嗬m(xù)電流模式的拓?fù)渲灾匾?，是因?yàn)樗陂_關(guān)B內(nèi)電流具有快速上升和下降時(shí)間。這會(huì)導(dǎo)致激勵(lì)開關(guān)、布局和輸出電容中的寄生電感。其結(jié)果是，在實(shí)際使用中，輸出波形看上去更像圖2而非圖1，哪怕布局布線良好并且使用陶瓷輸出電容。 圖2. DCM中升壓轉(zhuǎn)換器的典型測(cè)量波形 由于電容電荷的變化而導(dǎo)致的開關(guān)紋波(開關(guān)頻率)相比輸出開關(guān)的無阻尼振鈴而言非常小，下文稱為輸出噪聲。一般而言，此輸出噪聲范圍為10 MHz至100 MHz以上，遠(yuǎn)超出大部分陶瓷輸出電容的自諧振頻率。因此，添加額外的電容對(duì)噪聲衰減的作用不大。 還有很多各類濾波器適合對(duì)此輸出濾波。本文將解釋每一種濾波器，并給出設(shè)計(jì)的每一個(gè)步驟。文中的公式并不嚴(yán)謹(jǐn)，且做了一些合理的假設(shè)，以便一定程度上簡(jiǎn)化這些公式。仍然需要進(jìn)行一些迭代，因?yàn)槊恳粋€(gè)元件都會(huì)影響其它元件的數(shù)值。ADIsimPower設(shè)計(jì)工具利用元件值(比如成本或尺寸)的線性化公式在實(shí)際選擇元件前進(jìn)行優(yōu)化，然后從成千上萬器件的數(shù)據(jù)庫(kù)中選出實(shí)際元件后對(duì)其輸出進(jìn)行優(yōu)化，從而避免了這個(gè)問題。但在剛開始進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，這種程度的復(fù)雜性是沒有必要的。通過提供的計(jì)算公式，使用SIMPLIS仿真器——比如免費(fèi)的ADIsimPE?——或者在實(shí)驗(yàn)室工作臺(tái)上花費(fèi)一些時(shí)間，就能以最少的精力得到滿意的設(shè)計(jì)。 開始設(shè)計(jì)濾波器前，考慮一下單級(jí)濾波器RC或LC濾波器可以做什么。通常采用二級(jí)濾波器可以合理地將紋波抑制到幾百μV p-p范圍內(nèi)，并將開關(guān)噪聲抑制在1 mV p-p 以下。降壓轉(zhuǎn)換器噪聲較低，因?yàn)殡娫措姼刑峁┝撕芎玫臑V波能力。這些限制是因?yàn)椋坏┘y波降低至μV級(jí)別，元件寄生和濾波器級(jí)之間的噪聲耦合便開始成為限制因素。如果使用噪聲更低的電源，則需添加三級(jí)濾波器。然而，開關(guān)電源的基準(zhǔn)電壓源一般不是噪聲最低的元件，并且常常受到抖動(dòng)噪聲的影響。這些都導(dǎo)致了低頻噪聲(1 Hz至100 kHz)，通常不易濾除。因此，對(duì)于極低噪聲電源而言，使用單個(gè)二級(jí)濾波器然后在輸出端添加一個(gè)LDO可能更合適。 在更詳細(xì)地介紹各類濾波器的設(shè)計(jì)步驟前，部分在設(shè)計(jì)步驟中使用的各類濾波器的數(shù)值定義如下： ΔIPP: 進(jìn)入輸出濾波器的峰峰值電流近似值。為方便計(jì)算，假定是正弦信號(hào)。數(shù)值取決于拓?fù)洹?duì)于降壓轉(zhuǎn)換器而言，它是電感中的峰峰值電流。對(duì)于升壓轉(zhuǎn)換器而言，它是開關(guān)B(通常是一個(gè)二極管)中的峰值電流。 ΔVRIPOUT?: 轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率處的輸出電壓紋波近似值。 RESR: 所選輸出電容的ESR。 FSW?: 轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率。 CRIP: 輸出電容的計(jì)算中，假定所有ΔIPP?流入其中。 ΔVTRANOUT: ISTEP施加于輸出時(shí)，VOUT?的變化。 ISTEP:輸出負(fù)載的瞬時(shí)變化。