開關電源產生噪聲的原因與解決方案

從數(shù)據中心的服務器到電信設備和工業(yè)系統(tǒng)，開關模式電源（SMPS）用于各種應用，因為它具有高效率，功率密度和低成本的快速瞬態(tài)響應等優(yōu)點。

然而，雖然提供許多優(yōu)點，但已知SMPS電源如開關降壓和升壓DC/DC轉換器以及負載點（POL）調節(jié)器會產生噪聲。在尋求保持數(shù)據完整性和高性能的許多應用中，這種噪聲是不希望的。

此外，為了通過更嚴格的新監(jiān)管標準，電源產生的EMI必須保持低于以往的水平。

實際上，這些電源的開關頻率會產生許多不同類型的噪聲。之前有人認為它們是由開關頻率引起的高頻噪聲的開關噪聲開關轉換，開關轉換后振鈴，以及在一個系統(tǒng)中運行的多個開關穩(wěn)壓器引起的拍頻。

這里我們將研究開關穩(wěn)壓器和DC/DC轉換器產生的這些不同類型的噪聲，并討論解決方案，包括濾波技術，以減少和最小化開關SMPS電源中的噪聲。

SMPS噪聲

根據Dostal，主要噪聲類型是由開關頻率產生的開關噪聲供應。他說，通常，對于非隔離式DC/DC轉換器，此噪聲的頻帶在500 kHz和3 MHz之間。

但是，由于它取決于開關頻率，因此可以使用低通濾波器輕松控制和濾除。開關噪聲會產生輸出紋波電壓，如圖1所示?？梢允褂脽o源LC低通濾波器或有源低通濾波器輕松濾除。

圖1：由開關穩(wěn)壓器的開關頻率引起的輸出紋波電壓（頂部）。使用LC濾波器的衰減紋波電壓顯示在底部。

然而，在我們進入濾波器設計之前，讓我們更詳細地檢查輸出紋波電壓。

如公式1所示，開關穩(wěn)壓器的輸出紋波電壓可以通過電感電流紋波精確計算，電感電流紋波基于電感的實際電感值，開關轉換器的輸入和輸出電壓，開關頻率（fSW）和輸出電容（COUT） ）包括其等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）。

根據ADI的開關轉換器數(shù)據手冊，在電感選擇方面存在一些折衷。例如，小電感器以較大的電感器電流紋波為代價提供更好的瞬態(tài)響應，而大電感器以較慢的瞬態(tài)響應能力為代價導致較小的電感器電流紋波。

使用低ESR電容可最大限度地降低開關穩(wěn)壓器的輸出紋波。具有電介質X5R或X7R的陶瓷電容器是一個不錯的選擇。

雖然通常使用大電容來降低輸出紋波，但輸出電容的大小和數(shù)量可能會以成本和電路板空間為代價。

雖然像ADI和德州儀器這樣的半導體供應商已經創(chuàng)建了工具為了幫助設計人員根據輸入和輸出電壓規(guī)范選擇合適的開關轉換器或穩(wěn)壓器，包括開關頻率，無源元件供應商為電源設計了LC設計工具。

例如，與NuhertzTechnologies合作，Coilcraft提供了一種設計工具，可以使用實際的Coilcraft電感值創(chuàng)建橢圓低通濾波器，而不僅僅是理想的元件。

它確保模擬濾波器接近真實世界濾波器的性能。由于輸出電壓紋波的頻率基于轉換器的開關頻率，因此低通LC濾波器的轉角或截止頻率必須低于轉換器的開關頻率，以衰減輸出電壓紋波。

同樣，開關頻率產生的另一種噪聲是開關轉換噪聲，ADI的Dostal稱之為最具挑戰(zhàn)性的噪聲。

它與電流路徑中的寄生電感有關。它包括由印刷電路板（PCB）走線，IC封裝引線和多層PCB過孔以及芯片焊接線產生的寄生電感。

Dostal說，根據經驗，一英寸的PCB走線有大約20 nH的寄生電感。該寄生電感產生偏移電壓，該公差可以使用公式V = L * di/dt容易地計算。

以下示例顯示了典型現(xiàn)代開關轉換器或穩(wěn)壓器中寄生電感產生的噪聲量。

由于今天的開關穩(wěn)壓器在輸出級采用了更快的開關MOSFET，因此ADI文章假設開關轉換速度在具有5A輸出電流的典型開關穩(wěn)壓器設計中為30 ns。

使用上面的公式，20 nH寄生電感產生的電壓偏移為3.3 V.這個產生的偏移電壓將在開關穩(wěn)壓器的輸出中顯示為不需要的噪聲，如圖2所示。

圖2：快速開關降壓穩(wěn)壓器中的寄生電感會導致高失調電壓，在輸出端出現(xiàn)不需要的噪聲。

顯然，寄生電感是這種噪音的關鍵因素。因此，必須通過適當?shù)腜CB布局將其最小化，這又會降低偏移電壓。

為實現(xiàn)這一目標，應盡可能縮短PCB上的互連走線，并使用表面貼裝元件來消除封裝引線。由于此噪聲介于10 MHz和300 MHz之間，因此Dostal建議使用鐵氧體磁珠來衰減此噪聲。

電壓振鈴，節(jié)拍頻率

Parasitics還會產生另一種稱為電壓振鈴的噪聲 [2] 。它發(fā)生在開關節(jié)點的開關轉換期間，并疊加在輸出紋波電壓上，如圖3所示。

圖3：開關節(jié)點電壓振鈴疊加在輸出紋波電壓上。 （由ADI公司提供）

幸運的是，可以通過使用緩沖器或有源鉗位電路來減少它。包括電阻器和電容器的無源緩沖器將該振鈴的能量耗散到電阻器中并產生熱量。

另一方面，有源鉗位電路將振鈴的能量部分地饋回電路，從而提高電源的整體效率。

在部署多個開關轉換器或穩(wěn)壓器以產生多個電壓的系統(tǒng)中為了驅動各種負載，如處理器內核，I/O接口，FPGA，ASIC和模擬電路，如果這些轉換器或POL穩(wěn)壓器的開關頻率不同步，則拍頻是常見問題。

當兩個或多個開關DC/DC轉換器并聯(lián)使用N + 1冗余解決方案以獲得更高輸出功率或更高可靠性時，應用中也會出現(xiàn)此問題。

現(xiàn)在，如果轉換器是非同步的，固定頻率切換大約為1 MHz，并且源是公共總線，它們往往會在稱為拍頻的輸入端產生低頻噪聲。

它會在音頻頻率上產生不需要的輸入AC紋波電流，從而產生不希望的聲音和紋波電流。

緩解此問題的一種簡單方法是使用ADI公司的集成同步開關DC/DC轉換器ADP5135采用單個封裝提供多開關降壓調節(jié)器，如圖4所示。

由于此類穩(wěn)壓器的開關頻率與公共源同步，因此可消除非同步解決方案中出現(xiàn)的拍頻問題。

圖4：ADP5135在一個24引腳，4 mm×4 mm-LFCSP封裝中集成了三個高性能降壓調節(jié)器。 （由Analog Devices提供）

雖然在單個系統(tǒng)板上使用多開關DC/DC轉換器會在這些電源的輸入和輸出上產生各種開關噪聲，如ADI公司和德克薩斯州等供應商除其他外，儀器已經生成了解決此類問題的簡單解決方案。