全面了解和分析开关稳压器噪声

本文将介绍几种不同类型的固有开关稳压器噪声：开关纹波、宽带噪声和高频尖峰。还将讨论和分析与输入噪声抑制相关的开关稳压器的 PSRR。在设计低噪声开关稳压器时，全面了解开关稳压器噪声非常重要，这样可以去除后 LDO 稳压器，从而提高电源转换器效率、节省解决方案尺寸并降低设计成本。

介绍

一般来说，与低压差 （LDO） 稳压器输出相比，传统开关稳压器的输出电压噪声很大。但是，LDO 电压会导致严重的额外热问题，并使电源设计更加复杂。对开关稳压器噪声的全面认识是必要的，并且有助于设计低噪声开关解决方案以产生与 LDO 稳压器相同水平的低噪声性能。具有电流模式控制的降压稳压器是分析和评估目标，因为它是应用中最常用的。信号分析是用于了解开关纹波噪声、当前宽带噪声特性及其来源以及开关引起的高频尖峰噪声的主要方法。

开关纹波噪声

本节介绍与基波和谐波理论相关的降压转换器输出纹波计算公式。

根据开关稳压器的拓扑结构和基本操作，纹波始终是开关稳压器中的主要噪声，因为峰峰值电压幅度通常为几 mV 到几十 mV。它应该被认为是一个周期性和可预测的信号。如果它工作在固定的开关频率上，则可以通过时域的振荡范围或频域的傅里叶分解来轻松识别和测量。

图 1 是典型的降压稳压器。由于两个开关交替打开和关闭，SW 节点电压 VSW 是一个理想的方波，它与占空比和输入电压有关，VSW 可以用以下等式表示。

在哪里：

VIN 是输入电压。D 是占空比，对于降压稳压器，它等于 VOUT/VIN。

确定 VIN 时，VSW 基波和谐波分量仅取决于占空比。图 2 显示了与占空比相关的 VSW 基波和谐波幅度。当占空比接近一半时，基波主导纹波幅度。

降压稳压器 VSW 幅度与占空比

降压稳压器输出 LC 级传递函数如下：

其中L为输出电感值，DCR为电感电阻值，CL为电感并联电容值。

COUT 为输出容量值。ESL 是容量串联电感。ESR 是电容串联电阻值。

所以 VOUT 可以表示如下：

为了简化计算，我们假设输出 LC 级每十倍频为 20 dB，然后是与占空比相关的 VOUT 纹波基波和谐波幅度，如图 3 所示。三次谐波或奇次谐波将高于占空比接近一半时的偶次谐波。由于 LC 抑制，高次谐波将具有较低的幅度，并且与总纹波幅度相比比例非常小。同样，基波幅度是开关稳压器输出纹波中的主要成分。

降压稳压器 V OUT 纹波幅度与占空比。

对于降压稳压器，基波幅度将与输入电压、占空比、开关频率和 LC 级有关；然而，所有这些参数都会影响应用程序的要求，例如效率和解决方案的大小。为了进一步减少纹波，建议使用额外的后置滤波器。

宽带噪声

开关稳压器中的宽带噪声是输出电压上的随机幅度噪声。它可以通过频率范围内的噪声密度

或 V rms 来表示，它是频率跨度内密度的一个组成部分。由于硅工艺和参考滤波器设计的限制，宽带噪声主要位于开关稳压器的 10 Hz 至 1 MHz 频率范围内，这很难通过在低频范围内增加滤波器来降低。

典型的降压稳压器宽带噪声峰峰值幅度电压约为 100 μV 至 1000 μV，远低于开关纹波噪声。如果您使用额外的滤波器来降低开关纹波噪声，那么宽带噪声可能会成为开关稳压器输出电压中的主要噪声。图 4 表明，当没有额外的滤波器时，降压稳压器输出噪声的主要来源是开关纹波。图 5 显示，当使用附加滤波器时，输出噪声的主要来源是宽带噪声。

V OUT 无需额外的滤波器。

V OUT 带有一个额外的滤波器（使用 1000× 前置放大器进行测量）。

要识别和分析开关稳压器输出宽带噪声，需要有稳压器控制方案和阻断噪声信息。例如，图 6 是典型的电流模式降压稳压器控制方案和阻止噪声源注入。

典型的电流模式降压稳压器控制方案。

通过获得的控制环路传递函数和块噪声特性，有两种不同的噪声：环路输入噪声和环路内噪声。环路输入噪声将在控制环路带宽内传输到输出端，而噪声在环路带宽外会衰减。为开关稳压器设计低噪声 EA 和基准至关重要，因为单位反馈增益将保持噪声水平，而不是随着输出电压水平的增加而增加。最大的挑战是在整个系统中挖掘出最大的噪声源并在电路设计中减少它。ADP5014 _针对低噪声技术进行了优化，采用电流模式控制方案和一个简单的 LC 外部滤波器，在 10 Hz 至 1 MHz 频率范围内实现低于 20 μV rms 的噪声性能。ADP5014 输出噪声性能如图 7 所示。

ADP5014 具有附加 LC 滤波器的输出噪声性能。

高频尖峰和振铃

第三种噪声是高频尖峰和振铃噪声，因为输出电压是由开关开关的开启或关闭瞬态产生的。考虑硅电路和PCB走线中的寄生电感和电容；快速电流瞬变将在降压稳压器的 SW 节点处引起非常高频的电压尖峰和振铃。尖峰和振铃噪声将随着更高的电流负载而增加。图 8 显示了降压稳压器的尖峰是如何形成的。根据开关的开启/关闭压摆率，最高尖峰和振铃频率将在 20 MHz 至 300 MHz 范围内，因此输出 LC 滤波器由于其寄生电感器和电容器而在抑制方面可能不是很有效。与以上所有关于导电路径的讨论相比，最糟糕的是来自 SW 和 VIN 节点的辐射噪声，

降压稳压器高频尖峰和振铃噪声。

为了减少高频尖峰和振铃噪声，建议有效实施应用和硅设计。首先，在负载点使用额外的 LC 过滤器或磁珠。通常这会使输出上的尖峰噪声比纹波噪声小得多，但这个决定会增加更高的频率分量。其次，从输出侧和敏感的模拟电路屏蔽或远离SW和输入节点的噪声源，屏蔽输出电感。仔细的布局设计和布局将很重要。第三，优化开关稳压器的开关压摆率，最大限度地降低开关的寄生电感和电阻，有效降低SW节点噪声。ADI Silent Switcher ®技术还有助于通过硅设计降低 VIN 节点噪声。

开关稳压器 PSRR

PSRR 代表了开关稳压器从输入电源噪声到输出的抑制能力。本节分析降压稳压器在低频范围内的 PSRR 性能。甚高频噪声主要通过辐射路径而不是之前讨论的导电路径影响输出电压。

从输入电压到输出的电流模式降压小信号图。

根据图 9 中的降压小信号图，降压 PSRR 可以表示为

F m 是斜率增益

F g 是控制的输入电压

R cs 是电流检测增益

Z o （ s ） 是输出电容和负载

T v （ s ） 是循环传递函数

使用降压小信号模式的 PSRR 计算结果。

通过 SIMPLIS 模式进行 PSRR 仿真。

将信号模式计算与仿真结果进行比较。小信号模式有效且与仿真结果相匹配。

开关稳压器的 PSRR 性能取决于低频范围内的环路增益性能。开关稳压器具有固有的 LC 滤波器，可以抑制中频范围（100 Hz 至 10 MHz）的输入噪声。在这些范围内，这将比 LDO PSRR 好得多。因此，开关稳压器因其在低频的高环路增益而具有完美的 PSRR 性能，而固有的 LC 滤波器会影响中频范围。

结论

越来越多的模拟电路，例如 ADC/DAC、时钟和 PLL，需要具有大电流的清洁电源。每个设备对不同频率范围内的电源噪声都有不同的要求和规格。有必要全面了解不同的开关稳压器噪声类型并确认电源噪声要求，以便设计和实现高效且低噪声的开关稳压器，以满足大多数模拟电路电源的低噪声规范。与 LDO 稳压器相比，这种低噪声开关解决方案将具有更高的功率效率、更小的解决方案尺寸和更低的成本。

审核编辑：郭婷