如何设计 3.3 V 降压转换器

使用 LTSpice 模拟和评估传导发射。

在我的大多数 DC/DC 转换器设计中，我主要使用模拟设备的 DC/DC 转换器。主要原因之一是，正如我们将在此处学习的那样，我们将节省大量设计时间，因为 AD 允许我们使用出色的工具LTSpice模拟他们的 DC/DC 转换器。

凌力尔特公司最初于 1999 年设计了 LTSpice，20 多年来它一直是我的模拟仿真工具。这是令人信服的，我不记得我是否有一个没有反映我在现场看到的模拟。

假设我们要设计一个 10 V 至 3.3 V 降压转换器，1A。我们可以从 AD 网站上选择众多 DC/DC 转换器之一。我选择了 LT3971-3.3，因为它只需要几个额外的组件。因此，让我们打开 LT3971-3.3 数据表，复制参考原理图，并使用 LTspice 运行我们的第一个仿真。

图 1.数据表中所示的 LT3971-3.3 原理图。（使用理想的无源元件）。图片由Francesco Poderico提供

图 2. 运行第一个模拟。图片由Francesco Poderico提供

首先要注意的是，DCDC 转换器需要不到 0.1 毫秒的时间来稳定输出。让我们注意这一点（稍后我们将需要它）。

现在让我们放大 Vout，看看在大学学习的典型锯齿波形。

图 3. 通过放大 Vout，我们可以看到理想降压转换器的典型锯波波形。图片由Francesco Poderico提供

都好！或不？

问题是我们没有为无源元件 L1、C1、C2 和 C3 使用正确的模型。

让我们使用 L1、C1、C2 和 C3 的一些模型重复相同的模拟。让我们使用 L1、C1、C2 和 C3 的正确模型重复模拟，看看它有什么不同。

对于本文，我们将使用 Wurth 组件。Wurth 的好处是他们为 LTSpice、Altium 等创建了一个巨大的库。所以让我们继续 Wurth 并下载一些 LTspice 库，我们需要这个库来进行模拟。

我已经下载了库：

LTSpice_WE-LQFS、LTSpice_WE-CNSW、LTSpice_WCAP_ASLU、LTSpice_WCAP_CSGP

它们可从 Wurth 网站免费获得。请下载并复制到 C：Users yourname DocumentsLTSpiceXVIIlib。

完成此操作后，我们可以将这个库用于我们的项目。让我们运行相同的模拟，但对所有无源使用正确的模型。

图 4. 上面的仿真是一个完美的例子，它说明了为什么我们应该为 DCDC 转换器使用具有低 ESR 的电容器。图片由Francesco Poderico提供

我们有第一个惊喜：上图显示输出电压非常不稳定。原因是我在 C1 和 C3 上都使用了坏电容。然而，关于输出电压，C3 是最重要的。因此，第一课：C3 应该具有低 ESR 和低 ESL。让我们用一个优秀的陶瓷电容器来改变 C3 并重复模拟。

图 5。C3 现在是一个陶瓷电容器。现在输出稳定，但如果我们将此电压输出与图 2 中的电压输出进行比较，我们会注意到 Vout 现在噪声更大。图片由Francesco Poderico提供

它已经看起来好多了。然而，并不像我们之前看到的那么完美。

添加我们在第 3 部分中设计的 LISN 和电源线，并将它们放在一起。

电路变成了这样：

图 6. 在电路回路和大地之间添加一个 LISN 和一个 100 pF 寄生电容（参见第 1 部分、第 2 部分、第 3 部分）。图片由Francesco Poderico提供

输出电压变为：

图 7. Vout 现在开始看起来更嘈杂了。图片由Francesco Poderico提供

在图 6 中，您应该注意到 SW 引脚和 U1 参考之间有一个 5pF 电容。我添加了这些电容器来模拟低侧 MOS（U1 内部）的内部 Cd，而 C8 是我们在第 3 部分中研究的寄生电容器（100 pF）。

共模和差模噪声

现在使用我们在第 3 部分中学习的公式测量共模和差模电压。

VCM = （V1+V2）/2 ［eq. 1］

VDM = （V1-V2）/2。［eq.2］

图 8.共模噪声。图片由 Francesco Poderico 提供

使用 LTSpice，可以可视化任何信号或组合的 FFT。

由于我们正在寻找以 dBuV 为单位的频率响应，因此等式。1和当量。2 需要乘以 1，000，000 倍。因此它们变为 （V1+V2）*500000 和 （V1-V2）*500000（所以它已经在 udBV 中了）。如果我们想象重叠 EN55022 图，我们已经可以说发射还不错（请注意负载只有 100 欧姆）。

降低共模噪声

但是，假设我们想尝试降低共模噪声。我们怎么能做到这一点？

我们可以添加一个 CM 扼流圈，如下所示 （L6）。

图 9. 添加 CM 扼流圈以改善共模噪声。图片由Francesco Poderico提供

让我们看看现在 CM 噪声与 DM 噪声相比是否发生了变化。

图 10. 共模噪声现在低于图 8。图片由Francesco Poderico提供

哇，有什么区别。现在我们可以看到共模噪声和差模噪声之间的显着分离。插入L6后，差模噪声并没有太大变化，但差模噪声却有显着降低。L6 仍然不是我在设计中选择的电感，因为我犯了一个故意的错误……你能看到吗？

作为练习，将负载 R2 减小到至少 0.5 A，然后更改 L6、C1 和 C3 以改善发射。祝您好运，我希望您现在拥有一个强大的工具，让您 无需猜测而是为适当的应用选择适当的组件，从而更有信心通过 CE。　　

      审核编辑：彭静