電源適配器噪聲產(chǎn)生原因及解決措施

從數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器到電信設(shè)備和工業(yè)系統(tǒng)，開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）用于各種應(yīng)用，因?yàn)?/span>它具有高效率，功率密度和低成本的快速瞬態(tài)響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。

然而，雖然提供許多優(yōu)點(diǎn)，但已知SMPS電源如開(kāi)關(guān)降壓和升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器以及負(fù)載點(diǎn)（POL）調(diào)節(jié)器會(huì)產(chǎn)生噪聲。在尋求保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性和高性能的許多應(yīng)用中，這種噪聲是不希望的。

此外，為了通過(guò)更嚴(yán)格的新監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，電源產(chǎn)生的EMI必須保持低于以往的水平。

實(shí)際上，這些電源的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生許多不同類(lèi)型的噪聲。之前有人認(rèn)為它們是由開(kāi)關(guān)頻率引起的高頻噪聲的開(kāi)關(guān)噪聲開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換后振鈴，以及在一個(gè)系統(tǒng)中運(yùn)行的多個(gè)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器引起的拍頻。

這里我們將研究開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器和DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的這些不同類(lèi)型的噪聲，并討論解決方案，包括濾波技術(shù)，以減少和最小化開(kāi)關(guān)SMPS電源中的噪聲。

SMPS噪聲

根據(jù)Dostal，主要噪聲類(lèi)型是由開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)噪聲供應(yīng)。他說(shuō)，通常，對(duì)于非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)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(kāi)關(guān)頻率，因此可以使用低通濾波器輕松控制和濾除。開(kāi)關(guān)噪聲會(huì)產(chǎn)生輸出紋波電壓，如圖1所示?？梢允褂脽o(wú)源LC低通濾波器或有源低通濾波器輕松濾除。

圖1：由開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)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(jìn)入濾波器設(shè)計(jì)之前，讓我們更詳細(xì)地檢查輸出紋波電壓。

如公式1所示，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出紋波電壓可以通過(guò)電感電流紋波精確計(jì)算，電感電流紋波基于電感的實(shí)際電感值，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出電壓，開(kāi)關(guān)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(jù)ADI的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)，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(jià)提供更好的瞬態(tài)響應(yīng)，而大電感器以較慢的瞬態(tài)響應(yīng)能力為代價(jià)導(dǎo)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(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的輸出紋波。具有電介質(zhì)X5R或X7R的陶瓷電容器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。

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

雖然像ADI和德州儀器這樣的半導(dǎo)體供應(yīng)商已經(jīng)創(chuàng)建了工具為了幫助設(shè)計(jì)人員根據(jù)輸入和輸出電壓規(guī)范選擇合適的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器，包括開(kāi)關(guān)頻率，無(wú)源元件供應(yīng)商為電源設(shè)計(jì)了LC設(shè)計(jì)工具。

例如，與Nuhertz Technologies合作，Coilcraft提供了一種設(shè)計(jì)工具，可以使用實(shí)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(shí)世界濾波器的性能。由于輸出電壓紋波的頻率基于轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率，因此低通LC濾波器的轉(zhuǎn)角或截止頻率必須低于轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率，以衰減輸出電壓紋波。

同樣，開(kāi)關(guān)頻率產(chǎn)生的另一種噪聲是開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換噪聲，ADI的Dostal稱(chēng)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(guān)。它包括由印刷電路板（PCB）走線，IC封裝引線和多層PCB過(guò)孔以及芯片焊接線產(chǎn)生的寄生電感。

Dostal說(shuō)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一英寸的PCB走線有大約20 nH的寄生電感。該寄生電感產(chǎn)生偏移電壓，該公差可以使用公式V = L * di/dt容易地計(jì)算。

以下示例顯示了典型現(xiàn)代開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器中寄生電感產(chǎn)生的噪聲量。

由于今天的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在輸出級(jí)采用了更快的開(kāi)關(guān)MOSFET，因此ADI文章假設(shè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換速度在具有5A輸出電流的典型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)中為30 ns。

使用上面的公式，20 nH寄生電感產(chǎn)生的電壓偏移為3.3 V.這個(gè)產(chǎn)生的偏移電壓將在開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)降壓穩(wěn)壓器中的寄生電感會(huì)導(dǎo)致高失調(diào)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(guān)鍵因素。因此，必須通過(guò)適當(dāng)?shù)腜CB布局將其最小化，這又會(huì)降低偏移電壓。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)盡可能縮短PCB上的互連走線，并使用表面貼裝元件來(lái)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(lái)衰減此噪聲。

電壓振鈴，節(jié)拍頻率

Parasitics還會(huì)產(chǎn)生另一種稱(chēng)為電壓振鈴的噪聲 [2] 。它發(fā)生在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換期間，并疊加在輸出紋波電壓上，如圖3所示。

圖3：開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓振鈴疊加在輸出紋波電壓上。 （由ADI公司提供）

幸運(yùn)的是，可以通過(guò)使用緩沖器或有源鉗位電路來(lái)減少它。包括電阻器和電容器的無(wú)源緩沖器將該振鈴的能量耗散到電阻器中并產(chǎn)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(gè)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器或穩(wěn)壓器以產(chǎn)生多個(gè)電壓的系統(tǒng)中為了驅(qū)動(dòng)各種負(fù)載，如處理器內(nèi)核，I/O接口，F(xiàn)PGA，ASIC和模擬電路，如果這些轉(zhuǎn)換器或POL穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)頻率不同步，則拍頻是常見(jiàn)問(wèn)題。

當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)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(shí)，應(yīng)用中也會(huì)出現(xiàn)此問(wèn)題。

現(xiàn)在，如果轉(zhuǎn)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(huì)在稱(chēng)為拍頻的輸入端產(chǎn)生低頻噪聲。

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

緩解此問(wèn)題的一種簡(jiǎn)單方法是使用ADI公司的集成同步開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器ADP5135采用單個(gè)封裝提供多開(kāi)關(guān)降壓調(diào)節(jié)器，如圖4所示。

由于此類(lèi)穩(wěn)壓器的開(kāi)關(guān)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(wèn)題。

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

雖然在單個(gè)系統(tǒng)板上使用多開(kāi)關(guān)DC/DC轉(zhuǎn)換器會(huì)在這些電源的輸入和輸出上產(chǎn)生各種開(kāi)關(guān)噪聲，如ADI公司和德克薩斯州等供應(yīng)商除其他外，儀器已經(jīng)生成了解決此類(lèi)問(wèn)題的簡(jiǎn)單解決方案。