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如何控制降压转换器的输入纹波和噪音

作者:时间:2013-05-25来源:网络收藏

  如今那些大都采用一个锂离子电池的功能丰富型便携式电子设备,一般会通过一个或多个降压DC/DC来给核心处理器或者其它关键功能供电。这些快速瞬变的紧凑型电源管理IC的功效要远远高于类似的线性电源管理IC的功效。另外,随着便携式系统设计者不断试图缩小产品外形,电源半导体的设计人员也在转向转换频率越来越高的降压,以使便携式产品的设计人员能用上更小的外置电感器和陶瓷电容器。

  然而,向转换频率越来越高的降压的过渡,也给系统设计者带来了新问题。如果不进行过滤,DC/DC的输入会达到很高,以至于干扰使用同一个电源的其它设备。幸运的是,现在已经有很多相对简单的方法可以减少输入及其对其它设备的影响。这篇文章就将讨论输入的产生源,以及一些降低输入和纹波发生率的简单方法。

两个噪音源

  降压DC/DC的输入噪音有两个分量。第一个分量发生在基本转换频率下,也就是通常所说的纹波。第二个分量则是与转换过渡过程中的高频振铃相关的。下图1展示的是降压转换器输入波纹和噪音波形范例,以及锯齿纹波和高频率分量。

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图1:降压转换器输入纹波和噪音波形范例

  用来降低输入噪音的最好方法取决于哪个噪音分量需要过滤。为了正确分析输入噪音,设计者必须首先分别检查这些分量。

  每个降压转换器的输出电感器都在转换周期的开启状态下和输入相连,并在关闭状态下断开。在整个转换周期内,电池和输出电感器电流保持不变,而输入电容器则没有直流分量。要在输入处供应一个不变的DC电压,Ton状态下的输入电容器电荷(It)必须不变,并和Toff状态下的电容器负荷对立。

  图3展示了输入电容器波形。等式1解释了输入电压纹波的锯齿特性。

  纹波大小随着输入电压的改变而改变,并在任务周期运行到一半时达到最大值。设计者可以通过提高电容或者降低Cin的等效串联电阻(ESR)来降低输入纹波。陶瓷电容器一般等效串联电阻很低,而且产生的输入电压纹波不大。图2展示了转换周期Ton和Toff状态下降压转换器的等效电路。

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图2:转换周期Ton和Toff状态下降压转换器的等效电路

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图3:输入电容器波形

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等式1

高频噪音

  在大部分便携式产品中,DC/DC转换器的高频输入噪音都是高频振铃或者和转换器寄生元件相关的振荡产生的,而且一般频率超过100 MHz。感应和电容式寄生元件中存储的电能会在转换过程中振荡或者振铃。转换波形边缘的振铃会在每个周期自动重复。由于振铃频率很高,只采用普通的旁路电容器无法减弱噪音,正如下图4所示。图中显示了普通陶瓷电容器的阻抗和频率。频率高于100 MHz时的阻抗是感应性的,几乎不受到电容器大小或者数值的影响。很显然,增加一个体积小于输入电容器的陶瓷电容器,并不能大量降低高频噪音。

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图4:旁路电容器无法削弱高频噪音

  由于陶瓷电容器在噪音产生的频段中是感应性的,设计者必须增加一个串联元件来削弱噪音。这个增加的元件可以像PCB迹线阻抗支持由同一个电源供电的附加设备一样简单。这里的等效电路是一个感应式分压器(如图5)。一个62mil FR4板上2盎司铜线的50mil宽迹线的阻抗一般是11 nH/英寸,半英寸长的迹线阻抗则为5.5 nH。

  普通的1μF 0603陶瓷电容器的感应系数大约为0.5 nH。这相当于在频率高于100MHz时,高频输入噪音为21 dB,降低了1/12x。如果需要继续降低噪音,设计者可以采用一个串联电阻器,用它来提供一个L/R网络,通过噪音频率或者一个铁氧体磁珠来降低噪音;这个铁氧体磁珠可以提高高频串联阻抗,并降低DC损耗。

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图5:等效电路相当于感应式分压器

采用铁氧体磁珠来降低噪音

  在某些情况下,电路板迹线的阻抗不足以作为低通噪音滤波器所需的一个串联元件。设计者可以通过一个小的表面贴装铁氧体磁珠来提高串联阻抗,从而降低噪音。

  铁氧体磁珠的DC阻抗和滤波电容(Cf)可决定拐角频率和转换频率下相应的纹波衰减。要通过一个铁氧体磁珠来评估纹波衰减,就必须使输入纹波波形接近锯齿状,并降至降低到基本频率。请参考图6并将之和上面的图1进行对比。在图1中,测出的峰到峰锯齿波纹大约为16 mV,而通过等式1计算出的纹波则为大约17 mV。图6则显示了一个电路范例,以及通过铁氧体磁珠对改进频率抑制的计算。

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图6:改进频率抑制电路范例

  要理解高频率减,设计者必须在输入中高频噪音的共振频率上检查铁氧体磁珠的阻抗。图7中,高频噪音在频率大约为400 MHz可以看到。图8则显示出铁氧体磁珠的400 MHz阻抗大约为140Ω。图4显示出400 MHz时滤波电容器的相应阻抗为大约1Omega的,而且是感应性的。这样一来,通过图7中显示的网格就可以评估400MHz时的频率衰弱。

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图7:评估衰弱的网格

  下图8显示的是表面贴装铁氧体磁珠的阻抗。该铁氧体磁珠的DC电阻很小,这使之在通过DC电流时,对系统功效的影响最小。它还在转换器高频噪音发生的频段下拥有很大的阻抗。从图8可以看出,频率超过200Mhz时阻抗大于100Omega。此处应用了一个带有500mA DC电流的铁氧体磁珠,和一个0.3Omega的DC电阻,将添加串联元件时的损耗最小化。

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图8:表面贴装铁氧体磁珠的阻抗

测量问题

  下图9展示的是一个由AnalogicTech公司生产的AAT1146型瞬变降压转换器的常见输入噪音波形,该转换器带有一个由输入迹线感应和一个1 μF的陶瓷电容器组成的输入过滤器。我们可以看到寄生元件的共振频率是在大约400MHz是出现的。由于输入纹波的这一部分是在如此高的频率下发生的,设计者无法采用一般的示波器探棒连接方法来连接PCB上的任意位置以进行精确测量。

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图9:常见输入噪音波纹

  要确保准确测量,最好的方法就是采用“ring and tip”型示波器探棒方法,探棒上带一个50Ω的终端。使用这个方法时,要把示波器探棒的塑料外套去掉,以使探棒尖端能接触到地面。这个测试方法让探棒地面能和电容器的返回端快速连接,从而消除了辐射接收,并能更准确地测量传导的纹波和噪音。

结论

  最新的降压DC/DC转换器采用了最高的转换频率,给便携式系统设计者提供了一个外形小巧并能以极小的外置元件运行的高效电源。但当这些转换器和其它设备共享一个输入电压时,转换器产生的噪音就会导致非常危险的干扰。通过使用简单的过滤技术,如陶瓷旁路电容器等,或者必要时在转换器输入和其它使用同一电源的设备之间放置一个铁氧体磁珠,设计者就可以降低这个噪音,并提高系统性能。

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