降低升压电源输出中的开关噪声

昨天，我们说到了升压型DC-DC转换器的输出纹波电压。今天我们来说说“降低升压电源输出中的开关噪声”

前言

在开关型DC-DC转换器的输出中，会因开关工作而产生具有开关频率及其N次谐波分量的纹波电压。而且，还会产生远高于开关频率的、高达数百MHz的高频噪声，在发挥负载作用的电子电路中，这些噪声可能会引发问题。在降压型DC-DC转换器中，输入端会产生高频噪声，其中的部分高频噪声也会传输至输出端。但是，在升压型DC-DC转换器中，输出端会出现高速电压电流波动，这会在输出端产生高频噪声，导致输出较大的高频噪声。

本系列文章将介绍升压型DC-DC转换器中高频噪声的产生机理，并介绍降低高频噪声的设计技巧。

先介绍第一个主题“升压型DC-DC转换器中高频噪声的产生原因”。

关于升压电源的输出中产生远高于开关频率的高频噪声的原因，将从“升压型DC-DC转换器的工作”、“输出电容器和布线中的电感分量”、“低边开关的输出容量和振铃”和“低边开关导通时的工作”几个角度进行说明。

升压型DC-DC转换器的工作

在升压型DC-DC转换器中，当低边开关导通时，会使电感电流增加并积蓄能量；当低边开关关断时，积蓄的能量会被释放，从而使电感产生反电动势引起的高电压，最终形成高于输入电压的输出电压。在开关工作期间，电压和电流的高速变化会产生高频振动，该振动会成为高频噪声并通过输出线路被传播和辐射出去，从而造成故障。

首先来了解一下低边开关从导通转为关断过程中的详细工作。在低边开关FET完全导通的状态下，漏极和源极之间的电阻为RDSON的阻值，漏极电压为“RDSON×电感电流”。从此时开始，当FET的栅极驱动转为关断时，漏极和源极之间的电阻值上升，漏极电压也开始上升。当低边开关关断时，漏极和源极之间会产生容性分量COSS，部分电感电流会被用来对COSS充电。由于流经漏极和源极间电阻分量的电流导致的导通损耗，以及充入COSS的电荷量，使部分能量损失，与此同时漏极电压继续上升。

当开关节点的电压VSW变得高于输出电压时，高边开关整流二极管被正向偏置。即使正向偏置电压高于整流二极管的VF，由于整流二极管存在导通延迟，因此电流也不会开始流动，漏极电压上升至高于“输出电压+VF”的电压。经过数ns的导通延迟后，整流二极管变为导通状态，电感电流开始向输出电容器充电。

输出电容器和布线中的电感分量

由于整流二极管的导通延迟，已上升至高于输出电压电位的VSW被施加给输出电容器，因电位差很大，输出电容器开始被快速充电。在此之前，输出电容器一直通过放电向负载提供电流，但从此时开始将通过电感电流进行充电。从放电到充电，流经电容器的电流以纳秒级的速度改变为相反的反向。电容器的电感分量ESL为数nH～数十nH，但根据由充放电电流的变化值ΔI（以A为单位）和变化速度ΔT（以ns为单位）组成的公式ΔV=ΔI×L/ΔT，在ΔT的时间内会发生反电动势ΔV，输出电容器中也会产生高电压。因此，输出电容器会在整流二极管刚刚导通后立即产生尖峰状的高电压。

低边开关的输出容量和振铃

COSS被充电，达到输出电容器中也会产生的尖峰状高电压的程度，然后COSS中存储的能量被释放并流入输出电容器，并以磁能的形式存储在电感分量ESL中。当COSS的电压通过放电下降到VOUT的电位时，电位差消失，ESL中的磁能停止增加，利用ESL此前积蓄的磁能，进入恒流状态，继续从COSS中吸取电荷，COSS的电压降至VOUT以下。随着COSS电压的降低，ESL的磁能减少，当磁能达到0时，COSS停止放电。此时COSS的电位低于VOUT，电流从输出电容反向流向低边开关的COSS，并对COSS充电，同时ESL中开始积蓄与先前方向相反的磁能。此后，能量在低边开关的COSS和输出电容器ESL之间的反复移动，并产生因电压和电流的往复而导致的振荡状态。严格来讲，电感分量是由ESL与流过该充放电电流的环路的电感分量之和L值以及低边开关的COSS引起的LC谐振，谐振频率FZ为　FZ=1/2π√(L×COSS)。

电感分量总计为数nH，COSS的容量为数十～数百pF，因此该谐振频率通常在数十～数百MHz的范围内。开关节点和输出电容器处产生的振铃会成为高频噪声，该噪声会通过电源输出线传播并造成负载电路误动作等故障。

低边开关导通时的工作

在低边开关刚要导通前，“输出电压＋VF”的电压会被施加给低边开关的漏极，整流二极管（即高边开关）中流过电感电流。从这里开始，当低边开关向导通状态转变时，流向输出的电感器电流会从高边开关流向低边开关。VSW电压开始下降至GND电位，整流二极管（高边开关）变为反向偏置状态。由于在此之前流过二极管的电流使二极管的结点处存在自由电子和空穴，因此即使二极管处于反向偏置状态也不会立即变为截止状态，在很短的时间内有反向电流流过。该电流称为“反向恢复电流”，该电流使输出环路中流过电流高速变化的反向电流。

当反向恢复电流结束时，二极管因反向偏压状态而变为截止状态，通过PN结的耗尽层，成为电容量较小的电容器。当高边开关采用FET同步整流方式时，FET具有寄生二极管，因此存在“耗尽层+源极和漏极间的物理结构+栅极电容”形成的电容COSS。充电电流会随着反向恢复电流流向这些电容。由高边开关的电容和输出环路的电感分量组成的LC谐振电路中，会产生将反向流动的电流作为能量源的高频噪声。

接下来介绍第二个主题“升压型DC-DC转换器中高频噪声的抑制方法”。

关于如何降低升压电源中产生的高频噪声，将分“通过减少谐振能量和电感量来降低高频噪声”、“提高导通速度和尽可能减小反向恢复电流”、“尽可能减小输出环路中的电感分量”、“通过元器件配置和图案设计尽可能减小输出环路面积”和“谐振无法降为零，因此增加LC滤波器”几部分进行说明。

通过减少谐振能量和电感量来降低高频噪声

要想降低高频噪声，就需要减少引发低边开关ON/OFF时振铃的能量。另外，当能量在电感分量和电容分量之间传递时，会引发LC谐振，因此如果没有电感或电容，就不会发生谐振。减少输出环路的电感分量即可减少所积蓄的能量，从而可以减小LC谐振并降低高频噪声。

提高导通速度和尽可能减小反向恢复电流

要想减少引发低边开关关断时振铃的能量，需要减少开关节点电压VSW的过冲。要想减少高边开关的导通延迟，需要选择导通延迟较小的高速二极管。

要想减少低边开关导通时产生的振铃能量，需要减小反向恢复电流。如果是输出电压较低的二极管整流，则需要使用肖特基势垒二极管。与PN结硅二极管不同，肖特基势垒二极管由于不使用空穴进行整流，因此不会流过反向恢复电流，并且其VF也低于硅二极管，效率也更高。但反向偏压时反向流动的漏电流比硅二极管的要大，因此当输出电压较高且在高温环境下使用时，需要注意防止热失控。如果输出电压高达数百伏，由于反向耐压和热失控问题而无法使用肖特基势垒二极管，则可以使用快恢复二极管，它是硅二极管的一种，其反向恢复电流较小。虽然快恢复二极管的VF比普通硅二极管要高，但在输出电压较高的情况下，对效率下降的影响很小。

在采用二极管整流方式的情况下，选择二极管时需要注意的是，同步整流时高边开关所用的FET中有寄生二极管，并且无法从FET中去除，因此无法更换为高性能的二极管。死区时间内有电流流过寄生二极管，但寄生二极管相当于PN结硅二极管，其作为二极管的特性并不好。因此，在采用同步整流方式时，需要通过尽可能缩短死区时间，并控制栅极驱动时序使流过二极管的电流尽可能小，从而使导通延迟和反向恢复电流尽可能小。

尽可能减小输出环路中的电感分量

高边开关导通后，高速脉冲电流流入输出电容器。但是，受输出电容器的ESL影响会产生反电动势，在输出电容器中也会产生脉冲状高电压，其后流过的电流会使磁能积蓄在ESL中并成为谐振的能量源。通过选择ESL低的产品作为输出电容器，可以降低脉冲电压的峰值，另外由于积蓄的能量减少而可以减少谐振，最终可以降低高频噪声。但是，由于升压型DC-DC转换器需要高耐压且大容量的电容器，这会导致其物理尺寸较大，因而很难找到ESL小的电容器。在这种情况下可以考虑并联容量为1/N的N个电容器，而不是使用1个大容量电容器。这样通过减小每个电容器的尺寸来降低ESL，并且通过并联连接将ESL进一步降低至1/N。然而，这种方法虽然有效，却会因数量N的增加而导致元器件综合成本上升，存在成本问题。

此外，还可以通过增加小容量的小型陶瓷电容器来降低输出环路中的ESL。高边开关导通时，在输出电容器中产生的高速电流波动存在时间为数ns～数十ns。如果流过的电流为几安培，则其电荷量仅为100nC左右，因此，即使是低于1μF的小容量电容器，只要ESL低，接收到这个量的电荷量也不会发生较大的电压上升情况。当然，具体情况也会因电感电流的大小而异，但对于小容量电源而言，可以考虑在高边开关的输出侧和低边开关的接地侧之间配置0.1μF左右的小型陶瓷电容器，在配置时要使这两侧之间的距离尽可能短。这样就无需经由输出电容器的较大ESL了，从而可以更大程度地减少输出环路的电感分量。

通过元器件配置和图案设计尽可能减小输出环路面积

在输出环路的电感分量中，输出电容器的ESL所占比例最大。通过并联小容量的小型陶瓷电容器，可以大幅降低ESL带来的电感量。然而，连接元器件的电路板图案布线也会产生电感量，输出环路本身也会成为一圈电感。通过尽可能减小元器件之间的布线距离，可以减少布线产生的电感量。另外，一个输出环路本身具有的电感量与环路面积是成正比的，因此在设计元器件布局时应尽量减小环路面积。另外，还可以通过扩展元器件之间布线的图案宽度来填充环路内的空间，从而使环路面积更小。

此外，输出环路中会产生谐振并流过谐振电流，流经环路的高频谐振电流会在周围空间形成高频变化的磁场。这种高频变化的磁场可能会成为EMI（电磁干扰）并在空间中传播，使噪声向周围扩散。流经环路的高频电流所产生的空间磁场的强度也与环路面积成正比。缩小环路面积不仅可以减少产生的噪声量，还可以减少辐射到空间中的EMI，因此尽可能减少环路面积是噪声对策中非常重要的措施。

谐振无法降为零，因此增加LC滤波器

低边开关FET的COSS无法降为零，输出环路的电感分量也无法降为零，加上开关的导通和关断速度越来越快，所以无法完全消除高频噪声。有一种方法可以有效防止输出中产生的高频噪声传输到负载电路中，即在电源输出线路中插入LC低通滤波器。这种LC低通滤波器使用了可有效消除几百MHz频段噪声的铁氧体磁珠，以及在几百MHz频段具有低ESL特性的1000pF级小型陶瓷电容器。

尤其是铁氧体磁珠，其在高频下的阻抗大部分是电阻分量，能够通过电阻分量以焦耳热的形式消耗高频电能，因此是非常有效的降噪部件。

审核编辑：黄飞