简介

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一般与低压差(LDO)与稳压器输出相比，人们认为传统开关稳压器的输出电压噪声很大。然而，LDO电压会造成严重的额外热问题，使电源设计更加复杂。要全面了解开关稳压器的噪声，有助于设计低噪声开关解决方案LDO稳压器具有相当低的噪声性能。本文的目标是采用电流模式控制的降压稳压器，因为它是应用中最常用的。信号分析是了解开关纹波噪声、当前宽带噪声特性（及其来源）和开关引起的高频尖峰噪声的主要方法。本文将讨论开关稳压器PSRR(电源抑制比对输入噪声抑制非常重要)和信号分析方法。

开关纹波噪声

根据基波和谐波理论，本部分介绍了降压转换器输出纹波的计算公式。

根据开关稳压器的拓扑结构和基本操作，由于峰值电压范围一般为几个，纹波始终是开关稳压器的主要噪声mV到几十mV。它应被视为周期性和可预测的信号。如果以固定开关频率工作，则很容易识别和测量时域中的示波器或傅立叶。

图1.降压稳压器拓扑

图1显示了典型的降压稳压器。两个开关交替连接断开，因此SW节点电压VSW它是一个理想的方波，然后传递到空比和输入电压。VSW以下公式可表示：

其中：

VIN输入电压。D占空比；对于降压稳压器，等于VOUT/VIN。

VIN确定后，VSW基波和谐波成分仅取决于占空比。图2显示了与占空比相关的内容VSW当占空比接近一半时，纹波幅度主要是基波。

图2.降压稳压器VSW幅度与占空比的关系

降压稳压器输出LC级传递函数如下：

其中，L输出电感值，DCR电感电阻值，CL电感并联电容值。

COUT输出容量值。ESL串联电感值。ESR电容串联电阻值。

因此，VOUT表示如下：

图3.降压稳压器VOUT纹波幅度与占空比的关系

对于降压稳压器，基波幅度与输入电压、空比、开关频率和LC等级相关；但所有这些参数都会影响应用要求，如效率和解决方案尺寸。建议增加后滤波器，以进一步减少纹波。

宽带噪声

开关稳压器中的宽带噪声是输出电压上的随机振幅噪声。它可以表示整个频率范围内的噪声密度，单位为V/

，或用V rms它与频率范围内的密度密不可分。由于硅工艺和基准电压源滤波器设计的限制，宽带噪声主要位于开关稳压器的10 Hz至1 MHz在低频范围内，通过增加滤波器很难降低频率。

典型的降压稳压器宽带噪声峰值范围约为100μV至1000μV，远低于开关纹波噪声。如果使用额外的滤波器来降低开关纹波噪声，宽带噪声可能是开关稳压器输出电压的主要噪声。图4显示，降压稳压器输出噪声的主要来源是开关纹波。图5显示，当使用额外滤波器时，宽带噪声是输出噪声的主要来源。

图4.无额外滤波器VOUT

图5.有额外滤波器的图5。VOUT(用1000倍前置放大器测量)

为了识别和分析开关稳压器输出的宽带噪声，必须获得稳压器控制方案和模块噪声信息。例如，图6显示了典型的电流模式和模块噪声源注入。

图6.典型电流模式降压稳压器控制方案

有两种不同的噪声：环输入噪声和环内噪声。控制环路带宽内的环路输入噪声会传输到输出，而环路带宽外的噪声会衰减。低噪声设计用于开关稳压器EA由于单位反馈增益将保持噪声水平不变，而不是随着输出电压电平的增加而增加，因此与基准电压源至关重要。最大的挑战是找出整个系统中最大的噪声源，并在电路设计中降低噪声。ADP5014优化了低噪声技术，采用电流模式控制方案和简单LC10个外滤波器 Hz至1 MHz频率范围内低于20μV rms噪声性能。ADP输出噪声性能5014。

图7.额外使用LC滤波器的ADP5014年输出噪声性能

高频尖峰和振铃

由于输出电压高频尖峰和振铃噪声，因为输出电压是由开关稳压器噪声是高频尖峰和振铃噪声。考虑硅电路和PCB接线中的寄生电感和电容器；对于降压稳压器，快速电流瞬变将在SW节点引起高频电压尖峰和振铃。随着电流负载的增加，尖峰和振铃噪声会增加。图8显示了降压稳压器如何形成尖峰。根据开关稳压器的导通/关闭压摆率，最高峰值和振铃频率为20 MHz至300 MHz输出受寄生电感和电容的影响LC抑制过滤器可能不是很有效。与上述关于传导路径的所有讨论相比，最糟糕的是来自SW和VIN由于节点的辐射噪声频率很高，会影响输出电压等模拟电路。

图8.降压稳压器高频尖峰和振铃噪声

建议采用有效的方法实施应用和芯片设计，以降低高频尖峰和振铃噪声。首先，在终端负载中应使用额外的负载LC滤波器或磁珠。通常，这会使输出上的尖峰噪声远小于纹波噪声，但会增加成分的频率。其次，应屏蔽SW与输入节点的噪声源或远离输出侧和敏感模拟电路，并屏蔽输出电感。精心布局和布线对设计非常重要。三是优化开关稳压器的导通/关断压摆率，尽量减少开关稳压器的寄生电感和电阻，有效降低SW节点噪声。AD Silent Switcher通过芯片设计也有助于减少技术VIN节点噪声。

开关稳压器PSRR

PSRR反映了开关稳压器抑制输入电源噪声传输到输出的能力。本部分分析了低频范围内的降压稳压器PSRR性能。高频噪声主要通过辐射路径影响输出电压，而不是上述传导路径。

图9.从输入电压到输出的电流模式降压小信号图

根据图9所示的降压小信号图，降压PSRR表示如下：

其中：

Fm为斜率增益

Fg控制输入电压

Rcs为电流检测增益

Zo(s)输出电容和负载

Tv(s)为环路传递函数

图10.采用降压小信号模式PSRR计算结果

图11.SIMPLIS模式的PSRR仿真

将信号模式计算与模拟结果进行比较。与模拟结果一致的小信号模式是有效的。

开关稳压器PSRR性能取决于低频范围内的环路增益性能。开关稳压器固有LC过滤器可以抑制中频范围(100 Hz至10 MHz）内部输入噪声。该范围内的抑制性能比LDO PSRR好多了。因此，开关稳压器是理想的PSRR性能，因为其在低频时具有高环路增益，而固有LC滤波器会影响中频范围。

结论

模拟电路越来越多，如ADC/DAC、时钟和PLL等，需要能够提供高电流的清洁电源。各设备对不同频率范围内的电源噪声有不同的要求和规格。有必要足大多数模拟电路电源的低噪声规格，有必要全面了解不同类型开关稳压器的噪声，认识电源的噪声要求。与LDO与稳压器相比，这种低噪声开关解决方案将具有更高的效率比、更小的解决方案尺寸和更低的成本。

参考资料

Glenn Morita。低压差稳压器降噪网络可调输出。2014年模拟对话第48卷。

Glenn Morita。应用笔记AN-1120：低压差(LDO)稳压器的噪声源。AD公司，2011年

Matthew Felmlee。应用笔记AN-1066:低噪声时钟AD9523、AD9524和AD考虑9523-1电源。AD公司，2017年

Rob Reeder。技术文章ADC，AD公司，2012年

作者简介

Leo Liu 于 2005 年加入AD该公司是中国销售团队的现场应用工程师。2011年，他加入电源管理产品部担任应用工程师。从那以后，他一直负责PMU产品应用。他于2001年和2004年毕业于浙江大学，获得电气工程学士学位和硕士学位。联系方式:leo.liu@analog.com。