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POL調節器中的輸入紋波和噪聲的來源是什么?

發布時間：2016-09-14 責任編輯：wenwei

【導讀】POL調節器上的輸入濾波器可發揮兩項重要的作用，一個作用是防止開關電源產生的電磁干擾到達電力線和影響其它設備，第二個作用是保護轉換器及其負載以避免輸入電壓中出現的瞬變，從而提高系統可靠性。因此，輸入電容器對于調節器的正確運作及最大限度地減少來自開關調節器的噪聲排放至關重要。

愛立信POL調節器通過使用如圖1所示的非隔離型同步降壓拓撲來實現。在降壓功率級的正常運作期間，QH和QL交替開關，開關次數由具有固定頻率PWM方案的控制電路來管理。由于輸出端的電感器/電容器組合作用，用于降壓功率級的輸出電流變得平滑。但是，由于在每個開關周期中功率開關QH電流從零至全負載進行脈動，使得用于降壓功率級的輸入電流是脈動或形成斬波。對于調節器的正確運作及最大限度地減少來自開關調節器的噪聲排放，輸入電容器顯然是至關重要的。

圖1 降壓轉換器的簡化原理圖和輸入波形

許多應用使用了相當傳統的中間總線架構(IBA)，如圖2所示。在IBA中，電路板級中間總線轉換器(IBC)為多個POL調節器饋送電力，這些調節器的位置接近負載電路，并且提供最終運作電壓。所有這些開關轉換器在公用DC輸入總線產生紋波和噪聲，應當加以抑制。如果未有濾波，調節器的輸入紋波和噪聲可以達到足夠高的水平，干擾使用同一電源供電的其它設備。除了POL轉換器產生的輸入紋波和噪聲之外，IBC也具有自己的輸出電壓紋波和噪聲。

圖 2 在IBA中電路板級IBC為多個POL調節器饋送電力

因此，POL調節器上的輸入濾波器可發揮兩項重要的作用，一個作用是防止開關電源產生的電磁干擾到達電力線和影響其它設備，第二個作用是保護轉換器及其負載以避免輸入電壓中出現的瞬變，從而提高系統可靠性。

因此，POL調節器中的輸入紋波和噪聲的來源是什么?如何更好地設計輸入濾波器來緩減其發生?

穩定性

在輸入端增添一個具有衰減特性足夠良好能夠滿足噪聲和紋波規范要求的濾波器，如果輸入濾波器僅由電容器(C)構成，穩定性不是問題。如果輸入濾波器還包括電感器(LC)，則必需檢查穩定性：因為輸入濾波器改變了調節器的動態參數。輸出阻抗在某些頻率范圍可能變大，可能表現出共振，使得音頻的敏感性可能會降低。問題在于LC輸入濾波器可能影響轉換器的動態參數，通常會減低調節器的性能。

輸入濾波器設計中一個重要但常常被忽視的方面，就是要滿足Middlebrook規范。根據這項規范，如果輸入濾波器的輸出阻抗曲線遠遠低于輸入阻抗曲線，那么輸入濾波器便不會顯著改動轉換器環路增益，如公式1所示：

換句話說，為了避免振蕩，關鍵在于確保濾波器的峰值輸出阻抗Zo,Filter保持低于其輸入阻抗 Zi,POL。如圖3所示，POL調節器經設計為負載提供恒定電壓，(幾乎)與負載電流無關。因此，調節器在控制器帶寬范圍內的最小輸入阻抗Zi,POL,min如公式2計算所得：

此處：Vi是輸入電壓，Vo是輸出電壓，Io是穩態輸出負載電流，而η是調節器的效率。

圖 3 輸入濾波器的輸出阻抗和調節器的輸入阻抗示例

輸入紋波和噪聲源

對于POL調節器，輸入紋波和噪聲具有三個分量，首個出現在通常稱作紋波的基礎開關頻率上。

第二個分量是輸入總線上的AC電壓偏移，這是由于POL模塊輸出上的負載瞬態變化造成的，這通常是一種持續時間為數百微秒等級的、具有數十kHZ等效頻率的低頻現象。

第三個噪聲分量與發生在開關轉換期間的高頻振鈴相關，POL以不連續脈沖電流的形式從輸入源中吸取功率過程中，它的開關動作產生了這類噪聲。這個分量的頻率等同于POL的開關頻率，它具有數個可擴展到MHz頻率范圍的諧波。

另一個在DC總線上的高頻噪聲源是IBC。反射的紋波和來自源轉換器的噪聲通常比POL模塊引起的紋波和噪聲小很多，這是由于典型IBC在輸出上具有LC濾波器，可以顯著減小紋波和噪聲。

因而，在輸入總線上生成的大多數紋波和噪聲的主要原因在于POL調節器，請留意所有愛立信POL調節器在模塊上都放置了陶瓷濾波電容器，可顯著減小紋波和噪聲。然而，通過在POL模塊的輸入總線上放置附加的電容器，可以進一步降低這些紋波和噪聲。

基礎開關頻率輸入紋波

對于降壓轉換器，在開關周期的導通部分，將輸出電感連接至輸入，在關斷期間則斷開。對于輸入端的恒定DC電壓，在QH導通期間的輸入電容器電荷數必需等于QH關斷期間的電容器電荷數，且兩者極性相反。圖1所示為輸入電容器波形，公式3則詳細說明降低紋波電壓幅度至可接受水平所需的陶瓷電容容量。紋波幅度隨著輸入電壓而變化，在50%占空比下為最大值。下面是公式3：

其中：Ci,min是最小所需陶瓷輸入電容；?Vi,pp 是最大允許峰-峰輸入紋波電壓；fsw是開關頻率，而D是上述定義的占空比。

輸入電壓紋波來源于等效串聯電阻ESR，可以按照如下公式4估算：

其中：?Vi,ESR是輸入電容器ESR引起的輸入電壓紋波，ESRi 是輸入電容器的ESR，?Ipp 是最大輸出電流紋波。

根據這些公式，為了降低輸入紋波，可以增加電容或減小輸入電容器的ESR。陶瓷電容器通常具有很低的ESR，并且對于輸入電壓紋波幾乎沒有影響。

輸入濾波電容器承載電流的AC組成部分，大多數紋波電流都會流經已經放置在模塊中的陶瓷電容器，然而，AC紋波電流的一部分也來自于輸入總線，而輸入總線大多數是由外部輸入電容器提供的。因而，注意RMS額定電流不要超出所選擇的外部電容器。

總體RMS電流ICi,RMS分布在外部和內部輸入電容器之間，計算如下公式5：

請留意RMS電流可以通過愛立信電源設計人員(EPD)工具中的同步/相位展開功能來計算。

輸出瞬變帶來的低頻率噪聲

當設計使用共享的大容量輸入電容器組，并且包括單一或多個POL模塊的系統時，第一步是計算輸入瞬態電流的幅度，這是通過計算每個POL模塊的輸出瞬變的反射輸入瞬變電流得到的。在計算每個模塊的個別輸入瞬變之后，將它們相加以得到總體瞬變電流。在計算時，必需確定所有模塊的最差情形瞬變組合，并且相應地處理。通過以下公式6計算輸入電流瞬變幅度?Ii：

此處：?Ii是輸入瞬變電流，?Io 是輸出瞬變電流。

接下來，確定在輸入電容器上的最大允許電壓偏差?Vtr。

這是步驟一計算的峰值瞬變期間的最大允許下降，下述公式7計算最小所需輸入電容Ci,tr,min。

此處：Lftotal 是串行濾波器電感加上雜散電感，如果沒有使用濾波器電感電感濾波器，便必需把雜散電感 Lsrc,計算在內。

請留意這個公式是計算近似值，它生成的數值應當被認為是絕對最小值。選擇電容器數值以滿足所需總體電容時，應當考慮溫度和DC偏壓和紋波電流降額等其它因素的影響，這些因素可能會降低實際的數值。

高頻噪聲

DC-DC轉換器中的高頻輸入噪聲是在高頻振鈴過程中產生，或者與轉換器功率級的寄生元件有關。存儲在寄生元件中的能量在開關轉換期間振蕩或振鈴，這類噪聲通常為數百MHz。

鋁電解和鉭電容器具有高等效串聯電阻(ESR)值，因此，通常并不適合解耦POL模塊的噪聲和紋波。然而，它們能夠配合陶瓷電容器組合，用于抑制負載瞬變引起的較低頻率紋波等其它用途。對于高頻衰減，必需選擇針對紋波電流能力并具有低ESL和低ESR的電容器。為了降低模塊輸入端的高頻電壓尖峰，在模塊的輸入端應當放置小封裝陶瓷電容器。

在處理高頻開關紋波和噪聲方面，布局也是很重要的。陶瓷電容器應當盡可能靠近POL調節器，如圖4所示，如果需要，在其后面應接著低ESR聚合物和鋁電解電容器。

應該通過使用較寬的跡線或形狀及并行板，最大限度地減小雜散電感。

由于RMS電流將由多個輸入電容器分享，建議挑選在開關頻率下，阻抗相比鉭電容和/或鋁電解電容器低很多的陶瓷電容器。這將確保大部分RMS紋波電流將會流經陶瓷電容器，而不會通過具有高ESR的鉭電容器和/或鋁電解電容器。

請留意X5R多層陶瓷電容器(MLCC)具有高電容，但是電容會在50%以上的額定電壓下顯著減小。X7R電容器對比DC電壓和溫度的典型電容變化如圖5和圖6所示。可以看到，在-55 °C至 125 °C溫度范圍，X7R電容器僅僅變化±15%。然后，必需找到在寬溫度范圍保持穩定性的應用。因此，由于X7R具有良好的溫度和電壓系數，因而是優選的介電材料。由于碎裂問題，應當避免MLCC大于1210，還必需觀察電容器制造商的焊接和處理指令。

圖 4. 顯示輸入電容器的放置的BMR 463模塊布局示例

具有超低紋波和噪聲的輸入DC總線

根據應用，有時設計人員會選擇在分布式總線和開關調節器的輸入之間插入一個電感器，以防止噪聲耦合進入電路板上的其它電路。在這樣的情況下，使用一個具有小電感和小電容組合的濾波器，就是最節省成本和空間的最好解耦方法，參見圖7。濾波器電路中的電感器增加了輸入總線的源電阻，選擇電感器的數值時，應當以滿足公式1為準則。