輸出電壓紋波和噪聲的來源與抑制方法

醫療設備、測試測量儀器等很多應用對電源的紋波和噪聲極其敏感。 理解輸出電壓紋波和噪聲的產生機制以及測量技術是優化改進電路性能的基礎。

1：輸出電壓紋波

以Buck電路為例，由于寄生參數的影響，實際Buck電路的輸出電壓并非是穩定干凈的直流電壓，而是在直流電壓上疊加了輸出電壓紋波和噪聲，如圖1所示。

圖1. Buck 輸出電壓紋波和噪聲

實際輸出電壓紋波由電感電流與輸出阻抗決定，由三部分組成，如圖2 所示。

電感電流紋波通過輸出電容的寄生電阻ESR形成的壓降

輸出電容的充放電

寄生電感引起的電壓突變

圖2. 輸出電壓紋波的組成

不同類型的輸出電容，寄生參數的大小不同，三部分紋波所占的比例也有所不同。因此，使用不同類型的輸出電容會得到不同波形的電壓紋波。如圖3所示，電解電容的ESR較大，紋波由ESR主導，波形與電感電流紋波形狀類似。陶瓷電容的ESR和ESL都很小，主要由電容的充放電主導，紋波類似電容的充放電曲線。OSCON電容三者的影響都體現在紋波中。

圖3. 不同類型輸出電容的電壓紋波

2：輸出電壓紋波的測量

在測量輸出電壓紋波時，要注意如下幾點，正確方式如圖4所示。

保證接地環路盡可能小，建議使用接地環

探頭應靠近電容兩側

避免同時使用示波器其他通道測試其他點位的波形

如果只關注開關頻率分量紋波，建議打開示波器帶寬限制

如圖5所示，左側波形同時測量開關節點和輸出電壓紋波，帶寬限制關閉?？梢钥吹?，輸出電壓紋波中的噪聲較大，影響紋波的測量。

圖4. 輸出電壓紋波測試方式

圖5. 輸出電壓紋波測試對比

3：輸出電壓紋波的抑制

由以上分析可知，輸出電壓紋波由電感紋波電流和輸出電容阻抗決定（式1）。

因此，要降低輸出電壓紋波可以通過降低電感電流紋波或者降低輸出電容阻抗。當輸入輸出電壓和負載一定時，電感電流的紋波跟開關頻率和電感量成反比。增加電感量或者開關頻率可以有效降低輸出電壓的紋波，但開關頻率和電感往往受到電路效率和體積等的限制。

當開關頻率和電感值一定時， 抑制紋波電壓最有效的方式是減小輸出電容在開關頻率處的輸出阻抗。在實際應用場景中，通常會并聯多種不同的輸出電容來獲得足夠的容量并降低輸出電壓紋波，如圖6所示。由式(2)-(5)可以計算得到輸出電容的總阻抗以及等效的電阻和電容。若已知Buck電路的開關頻率，通過式(3)可得到開關頻率處的阻抗，也就可以得到輸出電壓紋波。但是，當輸出電容數量較多時，計算會變得很復雜。簡單有效的方式可以借助Excel 工具，如圖6所示。

圖6. 多個輸出電容并聯

圖7. 輸出電壓紋波計算工具

若選擇合適的電容仍然無法滿足紋波的要求，可以增加第二級LC 濾波器來進一步降低輸出電壓紋波， 如圖8所示。

圖8. Buck 電路第二級LC濾波器

第二級LC濾波器提供額外的增益衰減，但同時高品質因素Q值也會導致相位裕度降低，甚至導致環路穩定性問題，如圖9所示。為保證環路穩定，可以在L2兩端增加damp電阻，降低Q值。圖10以TI電源模塊LMZ23601為例 (Vin = 24V, Vout = 5V, Fsw = 750kHz, Iout = 1A)，在輸出端增加160nH 電感, 3X22uF 電容, 250m? damp電阻，輸出電壓紋波<1mV。

圖9. Buck兩級濾波波特圖

圖10. LMZM23601 兩級濾波

圖11. LMZ23601 兩級濾波輸出電壓紋波

綜上所述，理解輸出電壓紋波的形成原理，根據實際應用要求，針對性地優化電感值、開關頻率以及輸出電容，可有效降低輸出電壓紋波，滿足應用需求。

02

高頻噪聲分量的來源和抑制

1：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。

圖1. Buck電路的寄生參數

2：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。

圖2. 輸入電容位置對輸出電壓噪聲的影響

2.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。

圖3. TI Hotrod 封裝技術

圖4. LMR33630 對稱輸入降低

3.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。

圖5. TI電源模塊產品

針對耦合途徑，有如下幾種抑制方法：

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。

圖6.噪聲耦合途徑

2.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。

圖7.輸出并聯高頻濾波電容的阻抗特性

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。

審核編輯：湯梓紅