前面我們講到電壓紋波的來源和抑制,這篇文章主要討論高頻噪聲,其實來說不管是紋波還是噪聲都是很頭疼的問題,我通過這篇文章想讓大家更加深入的了解其形成和有效抑制。
一、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(jié)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(jié)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。
二、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:
1、PCB布板時盡量減小輸入高di/dt回路
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(jié)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(huán)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。
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
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。
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(yōu)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。