高频噪声分量的来源和抑制

描述

作者: Yuan Tan

第一部分:输出电压噪声

输出电压波形中除了开关频率分量的纹波以外,还存在高频噪声分量,如图1所示。高频噪声是如何形成的呢?主要是由电路中的寄生参数造成的。在实际电路中,PCB走线存在寄生电感和电阻,输入输出电容会引入寄生电感和电阻,两个不同电位的平面之间会形成寄生电容。以Buck电路为例,上下管切换的瞬间,输入回路中的寄生电感与开关管的输出电容谐振。因此,开关节点SW在上升和下降沿会产生高频振荡,且寄生参数越大,振荡的幅度也越大,甚至损坏开关管。该高频振荡会通过SW节点与输出VOUT之间的寄生电容耦合到输出电压,也就是输出电压中的高频噪声。

输出电压

图1. Buck电路的寄生参数

第二部分:输出电压噪声的抑制

了解高频噪声的来源和耦合途径,可以帮助我们有针对性地抑制输出电压噪声。下面分别介绍如何通过噪声源和耦合途径来抑制输出电压噪声。

针对噪声源,有如下几种抑制方法:

1、PCB布板时尽量减小输入高di/dt回路

Buck电路的输入回路由输入电容CIN, 上管HS和下管LS组成。 HS和LS的开关动作导致输入环路电流的非连续性,引起SW电压的振荡。 输入环路越大,振荡越严重,开关管的电压应力越大。将输入电容尽可能靠近HS和LS,保证输入环路尽最小,可有效降低开关节点SW的振荡,如图2所示。

2、使用TI HotRod 封装产品

HotRod 封装技术将芯片内部的die倒置,通过铜柱直接连接die 和lead frame,消除了使用wire bond引入的寄生电感,减小SW节点的振荡,例如LMR33630。另外,如图4所示,HotRod封装有两个电源VIN引脚和两个接地GND引脚,分别位于封装的两端。这种引脚分配可以减少VIN和GND回路造成的寄生环路电感。如果在器件的两边都有对称布局的输入电容,等效寄生回路电感则会减半(两个相等的并联电感这可以有效地减少高的di/dt 产生的噪声,相当于高频滤波。

3、使用TI电源模块产品

由于Layout的限制,输入电容无法无限靠近Buck 芯片。TI的电源模块产品集成高频输入电容和电感,进一步减小输入回路和SW节点的面积,降低噪声,如图5所示。

针对耦合途径,有如下几种抑制方法:

1、选择寄生电容较小的电感

理想电感对高频噪声呈现很大的阻抗,因此输出电压中的噪声很小。但是,实际电感存在寄生电容,噪声会通过耦合电容,耦合到输出电压。因此,选择耦合电容较小的电感,在一定程度上可抑制输出电压噪声。

输出电压

图6.噪声耦合途径

2、并联高频滤波电容

直观地理解,输出电压噪声等于SW噪声在输出电容阻抗和输出电感阻抗的分压。也就是说,输出电容在噪声频率处的阻抗越小,耦合到输出的噪声就越小。但是,多个电容并联后,输出电容的阻抗曲线会存在多个谐振点。如图7所示,增加高频电容后,在谐振点处,阻抗最小; 谐振点之前,阻抗变大; 谐振点之后,阻抗变小。因此,并非增加高频电容就一定能减小输出噪声。噪声频率位于谐振点处,输出噪声最小。如图8所示,增加220pF的电容,电压噪声反而增加了。因此,选择合适的输出电容至关重要。

综上所述,理解输出电压噪声的形成原理,根据实际应用要求,选择先进的封装技术/电源模块产品、优化PCB布局、增加滤波电容可有效降低输出电压噪声,满足应用需求。

 

审核编辑:何安

打开APP阅读更多精彩内容
声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉

全部0条评论

快来发表一下你的评论吧 !

×
20
完善资料,
赚取积分