理解輸出電壓紋波和噪聲二:高頻噪聲分量的來源和抑制
發(fā)布時(shí)間:2020-09-11 來源:Yuan Tan 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】輸出電壓波形中除了開關(guān)頻率分量的紋波以外,還存在高頻噪聲分量,如圖1所示。高頻噪聲是如何形成的呢?主要是由電路中的寄生參數(shù)造成的。在實(shí)際電路中,PCB走線存在寄生電感和電阻,輸入輸出電容會(huì)引入寄生電感和電阻,兩個(gè)不同電位的平面之間會(huì)形成寄生電容。
第一部分:輸出電壓噪聲
輸出電壓波形中除了開關(guān)頻率分量的紋波以外,還存在高頻噪聲分量,如圖1所示。高頻噪聲是如何形成的呢?主要是由電路中的寄生參數(shù)造成的。在實(shí)際電路中,PCB走線存在寄生電感和電阻,輸入輸出電容會(huì)引入寄生電感和電阻,兩個(gè)不同電位的平面之間會(huì)形成寄生電容。以Buck電路為例,上下管切換的瞬間,輸入回路中的寄生電感與開關(guān)管的輸出電容諧振。因此,開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW在上升和下降沿會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩,且寄生參數(shù)越大,振蕩的幅度也越大,甚至損壞開關(guān)管。該高頻振蕩會(huì)通過SW節(jié)點(diǎn)與輸出VOUT之間的寄生電容耦合到輸出電壓,也就是輸出電壓中的高頻噪聲。
圖1. Buck電路的寄生參數(shù)
第二部分:輸出電壓噪聲的抑制
了解高頻噪聲的來源和耦合途徑,可以幫助我們有針對(duì)性地抑制輸出電壓噪聲。下面分別介紹如何通過噪聲源和耦合途徑來抑制輸出電壓噪聲。
針對(duì)噪聲源,有如下幾種抑制方法:
PCB布板時(shí)盡量減小輸入高di/dt回路
Buck電路的輸入回路由輸入電容CIN, 上管HS和下管LS組成。 HS和LS的開關(guān)動(dòng)作導(dǎo)致輸入環(huán)路電流的非連續(xù)性,引起SW電壓的振蕩。 輸入環(huán)路越大,振蕩越嚴(yán)重,開關(guān)管的電壓應(yīng)力越大。將輸入電容盡可能靠近HS和LS,保證輸入環(huán)路盡最小,可有效降低開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW的振蕩,如圖2所示。
圖2. 輸入電容位置對(duì)輸出電壓噪聲的影響
使用TI HotRod 封裝產(chǎn)品
HotRod 封裝技術(shù)將芯片內(nèi)部的die倒置,通過銅柱直接連接die 和lead frame,消除了使用wire bond引入的寄生電感,減小SW節(jié)點(diǎn)的振蕩,例如LMR33630。另外,如圖4所示,HotRod封裝有兩個(gè)電源VIN引腳和兩個(gè)接地GND引腳,分別位于封裝的兩端。這種引腳分配可以減少VIN和GND回路造成的寄生環(huán)路電感。如果在器件的兩邊都有對(duì)稱布局的輸入電容,等效寄生回路電感則會(huì)減半(兩個(gè)相等的并聯(lián)電感)。這可以有效地減少高的di/dt 產(chǎn)生的噪聲,相當(dāng)于高頻濾波。
圖3. TI Hotrod 封裝技術(shù)
圖4. LMR33630 對(duì)稱輸入降低
1. 使用TI電源模塊產(chǎn)品
由于Layout的限制,輸入電容無法無限靠近Buck 芯片。TI的電源模塊產(chǎn)品集成高頻輸入電容和電感,進(jìn)一步減小輸入回路和SW節(jié)點(diǎn)的面積,降低噪聲,如圖5所示。
圖5. TI電源模塊產(chǎn)品
針對(duì)耦合途徑,有如下幾種抑制方法:
1. 選擇寄生電容較小的電感
理想電感對(duì)高頻噪聲呈現(xiàn)很大的阻抗,因此輸出電壓中的噪聲很小。但是,實(shí)際電感存在寄生電容,噪聲會(huì)通過耦合電容,耦合到輸出電壓。因此,選擇耦合電容較小的電感,在一定程度上可抑制輸出電壓噪聲。
圖6.噪聲耦合途徑
1. 并聯(lián)高頻濾波電容
直觀地理解,輸出電壓噪聲等于SW噪聲在輸出電容阻抗和輸出電感阻抗的分壓。也就是說,輸出電容在噪聲頻率處的阻抗越小,耦合到輸出的噪聲就越小。但是,多個(gè)電容并聯(lián)后,輸出電容的阻抗曲線會(huì)存在多個(gè)諧振點(diǎn)。如圖7所示,增加高頻電容后,在諧振點(diǎn)處,阻抗最小; 諧振點(diǎn)之前,阻抗變大; 諧振點(diǎn)之后,阻抗變小。因此,并非增加高頻電容就一定能減小輸出噪聲。噪聲頻率位于諧振點(diǎn)處,輸出噪聲最小。如圖8所示,增加220pF的電容,電壓噪聲反而增加了。因此,選擇合適的輸出電容至關(guān)重要。
圖7.輸出并聯(lián)高頻濾波電容的阻抗特性
圖8. 不同電容對(duì)輸出電壓噪聲的影響
綜上所述,理解輸出電壓噪聲的形成原理,根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求,選擇先進(jìn)的封裝技術(shù)/電源模塊產(chǎn)品、優(yōu)化PCB布局、增加濾波電容可有效降低輸出電壓噪聲,滿足應(yīng)用需求。
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