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理解輸出電壓紋波和噪聲二:高頻噪聲分量的來源和抑制

發布時間:2020-09-11 來源:Yuan Tan 責任編輯:wenwei

【導讀】輸出電壓波形中除了開關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造成的。在實際電路中,PCB走線存在寄生電感和電阻,輸入輸出電容會引入寄生電感和電阻,兩個不同電位的平面之間會形成寄生電容。
 
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造成的。在實際電路中,PCB走線存在寄生電感和電阻,輸入輸出電容會引入寄生電感和電阻,兩個不同電位的平面之間會形成寄生電容。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管的輸出電容諧振。因此,開關節點SW在上升和下降沿會產生高頻振蕩,且寄生參數越大,振蕩的幅度也越大,甚至損壞開關管。該高頻振蕩會通過SW節點與輸出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。
 
理解輸出電壓紋波和噪聲二:高頻噪聲分量的來源和抑制
圖1. Buck電路的寄生參數
 
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。
 
針對噪聲源,有如下幾種抑制方法:
 
PCB布板時盡量減小輸入高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的開關動作導致輸入環路電流的非連續性,引起SW電壓的振蕩。 輸入環路越大,振蕩越嚴重,開關管的電壓應力越大。將輸入電容盡可能靠近HS和LS,保證輸入環路盡最小,可有效降低開關節點SW的振蕩,如圖2所示。
 
理解輸出電壓紋波和噪聲二:高頻噪聲分量的來源和抑制
圖2. 輸入電容位置對輸出電壓噪聲的影響
 
使用TI HotRod 封裝產品
 
HotRod 封裝技術將芯片內部的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節點的振蕩,例如LMR33630。另外,如圖4所示,HotRod封裝有兩個電源VIN引腳和兩個接地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回路造成的寄生環路電感。如果在器件的兩邊都有對稱布局的輸入電容,等效寄生回路電感則會減半(兩個相等的并聯電感)。這可以有效地減少高的di/dt 產生的噪聲,相當于高頻濾波。
 
理解輸出電壓紋波和噪聲二:高頻噪聲分量的來源和抑制
圖3. TI Hotrod 封裝技術
 
理解輸出電壓紋波和噪聲二:高頻噪聲分量的來源和抑制
圖4. LMR33630 對稱輸入降低
 
1. 使用TI電源模塊產品
 
由于Layout的限制,輸入電容無法無限靠近Buck 芯片。TI的電源模塊產品集成高頻輸入電容和電感,進一步減小輸入回路和SW節點的面積,降低噪聲,如圖5所示。
 
理解輸出電壓紋波和噪聲二:高頻噪聲分量的來源和抑制
圖5. TI電源模塊產品
 
針對耦合途徑,有如下幾種抑制方法:
 
1. 選擇寄生電容較小的電感
 
理想電感對高頻噪聲呈現很大的阻抗,因此輸出電壓中的噪聲很小。但是,實際電感存在寄生電容,噪聲會通過耦合電容,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。
 
理解輸出電壓紋波和噪聲二:高頻噪聲分量的來源和抑制
圖6.噪聲耦合途徑
 
1. 并聯高頻濾波電容
 
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,多個電容并聯后,輸出電容的阻抗曲線會存在多個諧振點。如圖7所示,增加高頻電容后,在諧振點處,阻抗最小; 諧振點之前,阻抗變大; 諧振點之后,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重要。
 
理解輸出電壓紋波和噪聲二:高頻噪聲分量的來源和抑制
圖7.輸出并聯高頻濾波電容的阻抗特性
 
理解輸出電壓紋波和噪聲二:高頻噪聲分量的來源和抑制
圖8. 不同電容對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,根據實際應用要求,選擇先進的封裝技術/電源模塊產品、優化PCB布局、增加濾波電容可有效降低輸出電壓噪聲,滿足應用需求。
 
 
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