【導讀】現代高性能處理器和片上系統（SoC）通常集成精密的模擬前端和串行通信接口，對供電電源的質量提出極高要求。為確保信號完整性和系統性能，負載點電源的輸出電壓紋波常需低于2mV，這僅為常規開關電源設計的十分之一。
為滿足高端處理器與SoC芯片對電源紋波的嚴苛要求，二級濾波器成為一種高效而緊湊的解決方案，可將輸出電壓紋波抑制到2mV以下。
現代高性能處理器和片上系統（SoC）通常集成精密的模擬前端和串行通信接口，對供電電源的質量提出極高要求。為確保信號完整性和系統性能，負載點電源的輸出電壓紋波常需低于2mV，這僅為常規開關電源設計的十分之一。
為在保持高效率的前提下滿足這一嚴苛要求，電源設計人員需要在同步降壓轉換器后添加第二級LC濾波器。本文基于TI公司的三款不同控制架構的降壓轉換器，對比分析其在添加相同規格二級濾波器后的性能表現。
一、紋波挑戰與解決方案
處理器技術快速發展對電源設計帶來巨大挑戰。當前許多先進SoC芯片要求電源電壓紋波低于1.5mV（峰峰值），而傳統同步降壓轉換器即使采用低ESR陶瓷電容，其輸出紋波通常在5-10mV范圍內。
二級濾波器架構通過在初級LC濾波器后增加第二級電感和電容，形成兩級濾波網絡，可顯著衰減開關頻率噪聲。這種方法的效率遠高于線性穩壓器方案，尤其在大電流應用中優勢明顯。
測試平臺采用12V輸入、1V輸出、15A負載的典型應用場景，使用三種不同控制架構的降壓轉換器：TPS548A28（D-CAP3架構）、TPS543B22（高級電流模式架構）和TPS56121（電壓模式架構）。
二、二級濾波器設計參數
濾波器設計需要平衡性能與穩定性。所有測試均采用相同的二級濾波器元件參數：二級電感L2選用0.47μH，二級電容C2為2×220μF陶瓷電容，占用PCB面積僅為92mm2。
濾波器傳遞函數引入的雙極點需要相應補償控制環路，不同控制架構需采用不同的補償策略。通過方程式L2 = (Vout×(1-Vout/Vin))/(ΔI×fsw)可計算二級電感值，其中ΔI為 inductor current ripple，fsw為開關頻率。
測試中，三種轉換器的開關頻率均設置在500-600kHz范圍內，以確保比較的公平性。二級濾波器的插入導致效率損失極小，但紋波抑制效果顯著。
三、電壓模式控制架構表現
電壓模式控制采用外部補償機制。TPS56121作為電壓模式控制代表，使用外部3類補償網絡來處理功率級的雙極點特性。
未加二級濾波器時，其輸出紋波為4.8mV峰峰值；添加后紋波降低至1.9mV，降幅達60%。負載瞬態測試顯示，在10A階躍負載下，輸出電壓恢復穩定，無振鈴現象。
電壓模式架構的優勢在于可通過調整外部補償元件靈活應對二級濾波器引入的相移，但需要更多的外部元件和更復雜的環路設計。
四、D-CAP3控制架構性能分析
D-CAP3架構采用恒定導通時間控制。TPS548A28作為此類代表，利用一次性計時器生成與輸入輸出電壓成比例的導通時間脈沖。
未加二級濾波器時，輸出紋波為7.6mV峰峰值；添加后紋波降至2.3mV，降低約70%。負載瞬態響應測試表明，該架構在添加濾波器后仍保持穩定運行。
D-CAP3架構無需額外補償電路，簡化了設計流程。其內部紋波注入電路直接饋入比較器，降低了對輸出電容ESR的要求。
五、高級電流模式架構特性
ACM架構融合多種控制策略優勢。TPS543B22采用基于紋波的峰值電流模式控制，使用內部生成斜坡表示電感電流。
未加二級濾波器時，輸出紋波為7.4mV峰峰值；添加后紋波顯著降低至1.3mV，降幅超過82%。該器件提供三個可選的PWM斜坡選項，可優化二級濾波器應用時的環路性能。
值得注意的是，TPS543B22評估板直接預留了二級濾波器元件的焊盤，顯示出TI對此技術的重視。負載瞬態測試結果顯示出色的穩定性。
六、效率與尺寸權衡分析
二級濾波器帶來的效率損失可忽略不計。測試數據顯示，添加濾波器后，三種方案的效率下降均小于0.5%，功率損耗增加約0.02W。
與傳統LDO后級穩壓方案相比，二級濾波器在效率和成本上具有明顯優勢。為實現8A輸出，并聯兩個4A TPS7A54 LDO需消耗1.4W功率（假設175mV壓降），而二級濾波器僅增加0.02W損耗。
92mm2的額外PCB空間換來了紋波性能的顯著提升，這一權衡對于對噪聲敏感的應用場景是非常有價值的。
結語
三級濾波器技術為高性能處理器供電提供了一種高效解決方案。測試結果表明，三種控制架構均能穩定工作于二級濾波器配置，其中高級電流模式架構表現最為出色，將紋波降至1.3mV。
選擇何種架構取決于具體應用需求：電壓模式提供設計靈活性，D-CAP3簡化了設計流程，而ACM則在紋波抑制和瞬態響應間提供了最佳平衡。二級濾波器以最小效率損失和空間成本，實現了傳統方案難以達到的紋波性能。
三種控制架構的紋波性能對比
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