解決開關(guān)模式DC-DC轉(zhuǎn)換器的噪聲和空間問題的PowerSoC

引言

轉(zhuǎn)換效率促使FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)師從線性穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)向使用開關(guān)模式直流-直流轉(zhuǎn)換器。雖然開關(guān)模式直流-直流轉(zhuǎn)換器能夠顯著提高效率，但卻需要更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更多的部件數(shù)量和更大的覆蓋區(qū);更為明顯的是，對高速輸入/輸出單元來說，開關(guān)模式直流-直流轉(zhuǎn)換器就等于噪聲源。

本文描述了開關(guān)模式直流-直流轉(zhuǎn)換器的各種噪聲分量，同時(shí)說明PowerSoC如何將各分量降至最低。本文也進(jìn)一步用設(shè)計(jì)示例來說明PowerSoC如何令高速輸入/輸出單元具有與線性穩(wěn)壓器媲美，甚至更優(yōu)越的性能。

降壓型直流-直流轉(zhuǎn)換器簡單模型

一對MOSFET開關(guān)、電感器，以及輸入和輸出濾波電容即可組成一個(gè)簡易的同步開關(guān)模式直流-直流轉(zhuǎn)換器模型。圖1為轉(zhuǎn)換周期中的轉(zhuǎn)換器及其相關(guān)的直流和交流電流通路。當(dāng)SW1 閉合時(shí)(SW2開啟)，電流從電源流經(jīng)電感器到達(dá)負(fù)載，輸入和輸出濾波電容實(shí)現(xiàn)高頻交流電流的分流.當(dāng)SW2閉合時(shí)(SW1開啟)，電感器儲存的電能在轉(zhuǎn)換周期的后半段為負(fù)載提供電流。開啟和閉合開關(guān)的動作以及高頻交流電流的流動都會產(chǎn)生噪聲。

直流-直流噪聲關(guān)鍵分量和降噪策略

降壓型直流-直流轉(zhuǎn)換器有效地將直流電壓分成交流電壓，然后轉(zhuǎn)換回到偽直流電壓。此過程產(chǎn)生了四種不同的噪聲：1) 轉(zhuǎn)換器直流輸出側(cè)的紋波電壓，2) 轉(zhuǎn)換器輸入電源側(cè)的紋波電壓，3) 輻射性電磁干擾，和4)傳導(dǎo)性電磁干擾。

輸出電壓紋波

每個(gè)被動元件除了本身的基本功能(電阻、電容、電感)外，還具有另外兩個(gè)寄生元素：如果是電容，即為等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和等效串聯(lián)電感 (ESL);如果是電阻，則是等效串聯(lián)電感和等效并聯(lián)電容。

輸出紋波是交流紋波電流分流或流經(jīng)輸出濾波電容時(shí)的副產(chǎn)物。圖2展示了小型的輸出濾波電容信號模型，和該模型各成分對輸出紋波波形的作用。請注意輸出濾波電容的ESL是由PCB引線的寄生電感和轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部寄生電感結(jié)合形成。ESL通過感應(yīng)振動產(chǎn)生高頻尖峰信號。

大多數(shù)直流-直流轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表顯示了低通濾波紋波的波形，因此通常無法穩(wěn)定指示給定應(yīng)用情況中PCB上測量得到的實(shí)際紋波。

降噪策略

基本而言，要降低輸出紋波可通過減小紋波電流和 / 或降低電容器 的ESR和ESL以及PCB引線的ESL.

●在開關(guān)頻率較高的一側(cè)操作將降低給定電感值的紋波電流，從而可以使用較小且ESR/ESL較低的陶瓷電容。但開關(guān)頻率的升高會增加MOSFET開關(guān)的開關(guān)損耗，并影響效率。

●將多個(gè)電容并聯(lián)可降低ESR/ESL,就如將電阻并聯(lián)以降低其合成電阻一樣。隨著電容個(gè)數(shù)增加，PCB ESL增加，其效果受到限制，并且將增加轉(zhuǎn)換器的消耗。

●使用小尺寸的濾波元件(電感器和電容)可以減少PCB的長度，從而降低PCB ESL.可惜小尺寸的電感器通常會導(dǎo)致紋波電流較大，但不增加開關(guān)頻率。

●使用兩級濾波，例如在直流-直流輸出濾波段和目標(biāo)負(fù)載之間使用鐵氧體磁珠和電容。這種方法的缺點(diǎn)在于額外的致?lián)p耗元件將影響調(diào)壓效果，并可能降低效率。

輸入電壓紋波

隨著SW1 MOSFET打開和閉合，電流從電源(VIN)流出，形成近似矩形的脈沖波形。上升和下降時(shí)間非?？欤蠹s幾毫微秒。

與由輸出濾波電容和PCB引線ESL產(chǎn)生的輸出紋波相似，輸入濾波電容ESR和ESL,以及電源PCB引線ESL產(chǎn)生輸入紋波。然而，隨著電流時(shí)間比(di/dt)的變化增大，輸入電流紋波幅度要大的多。因此，PCB電感的影響更為重要，而輸入濾波電容必須耐受更高的RMS電流。又大又快的開關(guān)電流也是傳導(dǎo)性和輻射性EMI(稍后將探討)的主要來源。

降噪策略

●與輸出濾波電容一樣，在開關(guān)頻率較高的一側(cè)操作將可以使用較小且ESR/ESL較低的陶瓷輸入濾波電容。同樣應(yīng)注意開關(guān)損耗將變大。

●將輸入濾波回路中的寄生電感降至最低。這主要通過將濾波電容盡可能靠近直流-直流轉(zhuǎn)換器，以及盡可能短且寬的PCB引線來實(shí)現(xiàn)。通常不得將輸入濾波電容安裝在PCB的對邊且通過vias與直流-直流轉(zhuǎn)換器連接，否則會將大量電感引入電流回路中。

輻射性EMI

●又大又快的開關(guān)電流流經(jīng)輸入交流電流回路會產(chǎn)生輻射性EMI.如電磁場課程所述，環(huán)形天線的輻射效率是回路半徑相對于輻射波長的函數(shù)。

●公式1列出了環(huán)形天線輻射產(chǎn)生的功率與半徑r和波長λ的關(guān)系;h是自由空間常數(shù)。請注意回路半徑存在r8關(guān)系，而波長存在λ4的關(guān)系。因此，在頻率較高的一側(cè)操作的顯著優(yōu)點(diǎn)是可使用較小尺寸的元件，以縮小輸入電流回路半徑。