全面了解和分析开关稳压器噪声
简介
一般而言，与低压差（ldo）稳压器输出相比，人们认为传统开关稳压器的输出电压噪声很大。然而，ldo电压会引起严重的额外热问题，并使得电源设计更加复杂。全面认识开关稳压器噪声很有必要，有助于设计低噪声开关解决方案，使之产生与ldo稳压器相当的低噪声性能。本文分析和评估的目标是采用电流模式控制的降压稳压器，因为它在应用中最常用。信号分析是了解开关纹波噪声、当前宽带噪声特性（及其来源）、开关引起的高频尖峰噪声的主要方法。本文将讨论开关稳压器psrr（电源抑制比，其对输入噪声抑制很重要）以及信号分析方法。
开关纹波噪声
本部分依据基波和谐波理论介绍降压转换器输出纹波计算公式。
根据开关稳压器拓扑结构和基本操作，纹波始终是开关稳压器中的主要噪声，因为峰峰值电压幅度一般为几mv到几十mv。它应被视为周期性且可预测的信号。如果以固定开关频率工作，则在时域中通过示波器，或在频域中通过傅立叶分解，很容易将其识别并进行测量。
图1．降压稳压器拓扑
图1所示为典型的降压稳压器。两个开关交替接通和断开，因此sw节点电压vsw是一个理想的方波，此特性进而传递到占空比和输入电压。vsw可以用下面的公式表示：
其中：
vin为输入电压。d为占空比；对于降压稳压器，其等于vout／vin。
vin确定后，vsw基波和谐波成分仅取决于占空比。图2显示了与占空比相关的vsw基波和谐波幅度。当占空比接近一半时，纹波幅度以基波为主。
图2．降压稳压器vsw幅度与占空比的关系
降压稳压器输出lc级传递函数如下：
其中，l为输出电感值，dcr为电感电阻值，cl为电感并联电容值。
cout为输出容量值。esl为电容串联电感值。esr为电容串联电阻值。
因此，vout可表示如下：
为了简化计算，我们假设输出lc级为20 db／十倍频程，然后是与占空比相关的vout纹波基波和谐波幅度，如图3所示。当占空比接近一半时，三次或奇数次谐波将高于偶数次谐波。由于lc抑制，较高的谐波将具有较低的幅度，并且与总纹波幅度相比，其比例非常小。同样，基波幅度是开关稳压器输出纹波中的主要成分。
图3．降压稳压器vout纹波幅度与占空比的关系
对于降压稳压器，基波幅度与输入电压、占空比、开关频率和lc级有关；但是，所有这些参数都会影响应用要求，如效率和解决方案尺寸等。为了进一步降低纹波，建议增加后置滤波器。
宽带噪声
开关稳压器中的宽带噪声是输出电压上的随机幅度噪声。它可以用整个频率范围内的噪声密度来表示，单位为v／，或用v rms来表示，其与频率范围内的密度不可分。由于硅工艺和基准电压源滤波器设计的限制，宽带噪声主要位于开关稳压器的10 hz至1 mhz频率范围内，在低频范围内很难通过增加滤波器来将其降低。
典型降压稳压器宽带噪声峰峰值幅度电压约为100μv至1000μv，远低于开关纹波噪声。如果使用额外的滤波器来降低开关纹波噪声，则宽带噪声可能成为开关稳压器输出电压的主要噪声。图4显示了当没有额外滤波器时，降压稳压器输出噪声的主要来源是开关纹波。图5显示了当使用额外滤波器时，输出噪声的主要来源是宽带噪声。
图4．无额外滤波器的vout
图5．有额外滤波器的vout（使用1000倍前置放大器进行测量）
为了识别和分析开关稳压器输出宽带噪声，必须获得稳压器控制方案和模块噪声信息。例如，图6显示了典型的电流模式降压稳压器控制方案和模块噪声源注入。
图6．典型电流模式降压稳压器控制方案
对于获得的控制环路传递函数和模块噪声特性信息，有两种不同的噪声：环路输入噪声和环内噪声。控制环路带宽内的环路输入噪声会传输到输出，而环路带宽之外的噪声会被衰减。对于开关稳压器，设计低噪声ea和基准电压源至关重要，因为单位反馈增益会保持噪声水平不变，而不是随着输出电压电平增加而提高它。最大的挑战是找出整个系统中最大的噪声源，并在电路设计中降低该噪声。adp5014针对低噪声技术进行了优化，采用电流模式控制方案和一个简单的lc外部滤波器，在10 hz至1 mhz频率范围内实现了低于20μv rms的噪声性能。adp5014的输出噪声性能如图7所示。
图7．采用额外lc滤波器的adp5014输出噪声性能
高频尖峰和振铃
第三类噪声是高频尖峰和振铃噪声，因为输出电压是由开关稳压器导通或关断瞬变产生的。考虑硅电路和pcb走线中的寄生电感和电容；对于降压稳压器，快速电流瞬变将在sw节点处引起高频电压尖峰和振铃。尖峰和振铃噪声会随着电流负载的提高而提高。图8显示了降压稳压器如何形成尖峰。根据开关稳压器的导通／关断压摆率，最高尖峰和振铃频率将在20 mhz至300 mhz范围内，受寄生电感和电容影响，输出lc滤波器在抑制方面可能不是非常有效。与上述关于传导路径的所有讨论相比，最差的是来自sw和vin节点的辐射噪声，由于其频率非常高，输出电压和其他模拟电路会受到影响。
图8．降压稳压器高频尖峰和振铃噪声
为了降低高频尖峰和振铃噪声，建议采用有效方法实施应用和芯片设计。首先，在终端负载上应使用额外的lc滤波器或磁珠。通常，这会使输出上的尖峰噪声远小于纹波噪声，但会增加更高频率的成分。其次，应屏蔽sw和输入节点的噪声源或让其远离输出侧及敏感模拟电路，并且屏蔽输出电感。精心布局和布线对设计很重要。第三，优化开关稳压器的导通／关断压摆率，并尽量减小开关稳压器的寄生电感和电阻，从而有效降低sw节点噪声。adi silent switcher？技术也有助于通过芯片设计降低vin节点噪声。
开关稳压器psrr
psrr反映开关稳压器抑制输入电源噪声传输到输出的能力。本部分分析低频范围内的降压稳压器psrr性能。高频噪声影响输出电压主要是通过辐射路径，而不是通过前面讨论的传导路径。
图9．从输入电压到输出的电流模式降压小信号图
根据图9所示的降压小信号图，降压psrr可以表示如下：
其中：
fm为斜率增益
fg为控制输入电压
rcs为电流检测增益
zo（s）为输出电容和负载
tv（s）为环路传递函数
图10．采用降压小信号模式的psrr计算结果
图11．simplis模式的psrr仿真
将信号模式计算与仿真结果进行比较。小信号模式是有效的，与仿真结果一致。
开关稳压器的psrr性能取决于低频范围内的环路增益性能。开关稳压器的固有lc滤波器可以抑制中频范围（100 hz至10 mhz）内的输入噪声。此范围内的抑制性能比ldo psrr好得多。因此，开关稳压器具有理想的psrr性能，因为其在低频时具有高环路增益，而固有lc滤波器会影响中频范围。
结论
越来越多的模拟电路，如adc／dac、时钟和pll等，需要干净的能提供高电流的电源。每个器件对不同频率范围内的电源噪声都有不同的要求和规格。有必要全面了解不同类型的开关稳压器噪声并认知电源噪声要求，从而设计和实现高效率、低噪声开关稳压器，以满足大多数模拟电路电源的低噪声规格。与ldo稳压器相比，这种低噪声开关解决方案将有更高的功效比、更小的解决方案尺寸和更低的成本。
参考资料
glenn morita。“可调节输出低压差稳压器的降噪网络”。《模拟对话》，第48卷，2014年。
glenn morita。应用笔记an－1120：低压差（ldo）稳压器的噪声源。adi公司，2011年
matthew felmlee。应用笔记an－1066：低噪声时钟ad9523、ad9524和ad9523－1的电源考虑。adi公司，2017年
rob reeder。技术文章。“高速adc的电源设计”，adi公司，2012年
作者简介
leo liu 于 2005 年加入adi公司，在中国销售团队担任现场应用工程师。2011年，他加入电源管理产品部门，担任应用工程师，自此以后一直负责pmu产品应用。他毕业于浙江大学，2001年和2004年分别获得电气工程学士学位和硕士学位。
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