電源開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)秘笈30例2——駕馭噪聲電源

無(wú)噪聲電源并非是偶然設(shè)計(jì)出來(lái)的。一種好的電源布局是在設(shè)計(jì)時(shí)最大程度的縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間?；ㄙM(fèi)數(shù)分鐘甚至是數(shù)小時(shí)的時(shí)間來(lái)仔細(xì)查看電源布局，便可以省去數(shù)天的故障排查時(shí)間。

圖1顯示的是電源內(nèi)部一些主要噪聲敏感型電路的結(jié)構(gòu)圖。將輸出電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較以生成一個(gè)誤差信號(hào)，然后再將該信號(hào)與一個(gè)斜坡相比較，以生成一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)功率級(jí)的 PWM(脈寬調(diào)制)信號(hào)。

電源噪聲主要來(lái)自三個(gè)地方：誤差放大器輸入與輸出、參考電壓以及斜坡。對(duì)這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精心的電氣設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)有助于最大程度地縮短故障診斷時(shí)間。一般而言，噪聲會(huì)與這些低電平電路電容耦合。一種卓越的設(shè)計(jì)可以確保這些低電平電路的緊密布局，并遠(yuǎn)離所有開(kāi)關(guān)波形。接地層也具有屏蔽作用。

圖1 低電平控制電路的諸多噪聲形成機(jī)會(huì)

誤差放大器輸入端可能是電源中最為敏感的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槠渫ǔ＞哂凶疃嗟倪B接組件。如果將其與該級(jí)的極高增益和高阻抗相結(jié)合，后患無(wú)窮。在布局過(guò)程中，您必須最小化節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度，并盡可能近地將反饋和輸入組件靠近誤差放大器放置。如果反饋網(wǎng)絡(luò)中存在高頻積分電容，那么您必須將其靠近放大器放置，其他反饋組件緊跟其后。并且，串聯(lián)電阻-電容也可能形成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。最理想的結(jié)果是，將電阻靠近誤差放大器輸入端放置，這樣，如果高頻信號(hào)注入該電阻-電容節(jié)點(diǎn)時(shí)，那么該高頻信號(hào)就不得不承受較高的電阻阻抗—而電容對(duì)高頻信號(hào)的阻抗則很小。

斜坡是另一個(gè)潛在的會(huì)帶來(lái)噪聲問(wèn)題的地方。斜坡通常由電容器充電(電壓模式)生成，或由來(lái)自于電源開(kāi)關(guān)電流的采樣(電流模式)生成。通常，電壓模式斜坡并不是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)殡娙輰?duì)高頻注入信號(hào)的阻抗很小。而電流斜坡卻較為棘手，因?yàn)榇嬖诹松仙呇胤逯怠⑾鄬?duì)較小的斜坡振幅以及功率級(jí)寄生效應(yīng)。

圖2顯示了電流斜坡存在的一些問(wèn)題。第一幅圖顯示了上升邊沿峰值和隨后產(chǎn)生的電流斜坡。比較器(根據(jù)其不同速度)具有兩個(gè)電壓結(jié)點(diǎn) (potential trip points)，結(jié)果是無(wú)序控制運(yùn)行，聽(tīng)起來(lái)更像是煎熏肉的聲音。

利用控制IC中的上升邊沿消隱可以很好地解決這一問(wèn)題，其忽略了電流波形的最初部分。波形的高頻濾波也有助于解決該問(wèn)題。同樣也要將電容器盡可能近地靠近控制 IC 放置。正如這兩種波形表現(xiàn)出來(lái)的那樣，另一種常見(jiàn)的問(wèn)題是次諧波振蕩。這種寬－窄驅(qū)動(dòng)波形表現(xiàn)為非充分斜率補(bǔ)償。向當(dāng)前斜坡增加更多的電壓斜坡便可以解決該問(wèn)題。

圖2 兩種常見(jiàn)的電流模式噪聲問(wèn)題

盡管您已經(jīng)相當(dāng)仔細(xì)地設(shè)計(jì)了電源布局，但是您的原型電源還是存在噪聲。這該怎么辦呢？首先，您要確定消除不穩(wěn)定因素的環(huán)路響應(yīng)不存在問(wèn)題。有趣的是，噪聲問(wèn)題可能會(huì)看起來(lái)像是電源交叉頻率上的不穩(wěn)定。但真正的情況是該環(huán)路正以其最快響應(yīng)速度糾出注入誤差。同樣，最佳方法是識(shí)別出噪聲正被注入下列三個(gè)地方之一：誤差放大器、參考電壓或斜坡。您只需分步解決便可！

第一步是檢查節(jié)點(diǎn)，看斜坡中是否存在明顯的非線性，或者誤差放大器輸出中是否存在高頻率變化。如果檢查后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何問(wèn)題，那么就將誤差放大器從電路中取出，并用一個(gè)清潔的電壓源加以代替。這樣您應(yīng)該就能夠改變?cè)?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/電壓源">電壓源的輸出，以平穩(wěn)地改變電源輸出。如果這樣做奏效的話，那么您就已經(jīng)將問(wèn)題范圍縮小至參考電壓和誤差放大器了。

有時(shí)，控制IC中的參考電壓易受開(kāi)關(guān)波形的影響。利用添加更多(或適當(dāng))的旁路可能會(huì)使這種狀況得到改善。另外，使用柵極驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)減緩開(kāi)關(guān)波形也可能會(huì)有助于解決這一問(wèn)題。如果問(wèn)題出在誤差放大器上，那么降低補(bǔ)償組件阻抗會(huì)有所幫助，因?yàn)檫@樣降低了注入信號(hào)的振幅。如果所有這些方法都不奏效，那么就從印刷電路板將誤差放大器節(jié)點(diǎn)去除。對(duì)補(bǔ)償組件進(jìn)行架空布線(air wiring)可以幫助我們識(shí)別出哪里有問(wèn)題。