电路权衡使电池输入电源的噪声降至最低

射频通信计算机和其他新的移动系统可以充当不需要的噪声和EMI的便携式发生器，从而阻碍其自身的市场接受度。见证纽约拉瓜迪亚机场的近乎灾难，其中笔记本电脑的EMI可能导致客机着陆系统故障。或者，考虑一下第一台DOS掌上电脑，它因可听见的开关稳压器噪音而振动如此之大，以至于计算机可以直接“走”下桌子。

电源噪声问题很少像这些情况那样严重。相反，系统设计人员通常在研发阶段解决问题;最终用户间接地（如果有的话）将问题视为产品推出的延迟。

噪声对于便携式系统特别有趣，因为电源通常是定制设计，由负责逻辑板、模拟电路和其他子系统的同一团队创建。因此，对于便携式系统，您不能仅仅将电源采购为黑匣子，并保证最大输出噪声水平的规格。

用于GaAs MESFET的栅极偏置发生器为电源中的低噪声要求提供了一个很好的例子。典型的砷化镓发射器在共源配置中采用耗尽模式MESFET，因此栅极需要一个负偏置电压。该电压上的任何噪声都会与RF信号混合并产生不需要的互调产物，进而在RF载波上产生不需要的AM边带。如果AM频段落在RF信道内，则无法滤除，因此必须首先指定一个干净的直流偏置电压。

噪音类型

便携式系统中的噪声有多种形式。主要类型是输入、输出、辐射和微音。输入噪声通常包括反射纹波，其中开关模式电源的输入电流噪声与原始电源电压的源阻抗相互作用。结合任何RF噪声（可能由高速逻辑感应并通过电源耦合回输入），由此产生的干扰会污染交流线路和电池电压。

输出噪声是电压噪声，可能会扰乱对噪声敏感的负载，例如Creative Labs（加利福尼亚州米尔皮塔斯）的SoundBlaster音频电子设备。辐射噪声可以是电磁噪声或静电噪声，通常起源于磁性元件，例如变压器和电感器、开关和整流器或具有大而快速电压摆幅的开关节点。

微音噪声是可听见的声音，其通常原因是低频开关波形激励线圈绕组并使它们机械地相互振动。通常可以通过提高最小频率或在绕组上涂清漆来解决此问题。

便携式系统中最糟糕的噪声发生器几乎从来都不是电源本身。例如，从电源设计人员的角度来看，笔记本电脑由电池、电力电子设备和许多相对不重要的负载组成，例如CPU、RAM和I / O。从这种以功率为中心的角度来看，CPU是一个产生大量噪声和EMI的大热源。

将EMI嗅探器对准典型的便携式设备通常会显示系统时钟是最差的噪声信号，而电源噪声相对较低。这种相对重要性也适用于传导噪声;时钟CMOS逻辑系统中由动态负载变化引起的开关噪声通常在电源轨上产生的电压噪声远远大于开关电源本身。启停时钟操作给电源带来残酷的50A/msec负载瞬变，会产生特别麻烦的电压噪声。

当负载在电源轨上产生噪音时，谁应该受到责备？逻辑设计人员可以很容易地责怪电源设计人员，说“如果可怜的电源具有较低的输出阻抗，我所有的逻辑噪声都会分流到地，每个人都会很高兴。关键是负载引起的噪声是一个系统设计问题。为了确保每个人都满意，包括采购部门，逻辑和电源设计人员必须合作。

启停时钟操作说明了这种合作需求。通常的暴力破解方法用于解决大负载瞬变引起的Ldi/dt尖峰，这种方法非常昂贵：在负载上连接低阻抗旁路电容器，使瞬变在到达电源时更小、更慢。这种方法有效，但其他方法可能更具成本效益和空间效率。

例如，如果直流输出容差更严格，例如±2%而不是±5%，则Ldi/dt骤降和过冲不需要携带V外超出逻辑可以容忍的限制。换言之，更严格的基准电压容差可以通过减小滤波电容器的尺寸和成本来改善系统。

拓扑权衡

开关模式电源的拓扑结构、开关和储能元件之间的连接配置对输出噪声有很强的影响。对于便携式系统，电池输入电源的首选拓扑通常是五种基本类型之一：降压（降压）、升压（升压）、降压-升压、反激式或 Royer。

简单性和高效率是降压和升压拓扑在便携式系统中极为常见的原因。降压和升压配置几乎是彼此的镜像，这使得它们可用于说明DC/DC转换器中的噪声问题。降压和升压拓扑密切相关。如果将电压源连接到其输出端，将负载电阻连接到其输入端，则带有同步整流器的降压稳压器将作为升压转换器反向工作并升压。

开关模式稳压器中的功率电感有时可用作开关动作产生的斩波电流波形的滤波器。对于降压电路，电感滤波电流进入输出滤波电容。对于升压电路，电感器滤除来自输入滤波电容的电流。因此，降压稳压器的输出相对安静，升压稳压器的输入相对安静（图 1）。这两种拓扑是双重拓扑，因为一个是另一个的逆拓扑。通过为给定应用选择电池电压（低与高），您可以选择在更敏感位置将噪声降至最低的电路拓扑。

图1.通过选择降压 （a） 或升压 （b） 稳压器（它们彼此相反），您可以选择主要噪声的位置。降压稳压器具有噪声输入和安静输出;升压稳压器具有安静的输入和嘈杂的输出。

如果系统具有噪声敏感负载，则输出噪声比输入噪声更重要。对于此类系统，降压转换器应用受益于良性电感电流波形。由于缺乏尖锐的电流阶跃，这些波形不会产生高频输出噪声尖峰。其他一些开关稳压器拓扑确实会产生这些尖峰，因为波形与电容器的走线电感和有效串联电感（ESL）相互作用。降压转换器输出端的任何“哈希”噪声（超高频噪声尖峰）可能只是示波器探头接地引线通过拾取EMI产生的幻象噪声。开关节点的杂散电容会引入二阶效应，也可能导致输出哈希，但这种效应通常难以察觉。

在连接示波器探头之前，测量点不存在幻影噪声;但这种噪声值得关注，因为EMI进入敏感电路就像进入探头的接地引线一样容易。您可以通过减慢开关波形的上升和下降时间以及降低承载大量开关电流的路径的电感来降低对EMI的敏感性。然而，为了完全消除幻象噪声，必须用钢或μ金属屏蔽敏感电路，而不是铜。

降压转换器在其深度连续导通模式下工作，其中电感电流在每个开关周期内不会恢复到零，通过降低纹波电流幅度进一步降低输出噪声。通过增加电感值获得连续导通。因此，惩罚包括电感较大、绕组中 I2R 损耗越大而导致效率降低，以及较大电感器的压摆率较低，负载瞬变响应较慢。

斩波电流波形产生噪声

升压转换器的输出电容承受的突然电流阶跃等于整个峰值电感电流，而不仅仅是纹波分量，因为整流二极管会斩波电感电流。这些高幅度快速移动的电流转换在与输出电容的ESL和等效串联电阻（ESR）相互作用时会产生一些噪声。除了ESR引起的大电压阶跃外，ESL还会在开关波形的前沿和后沿引起微小的高频哈希尖峰。

通过在电源线中使用简单的RC滤波器（例如串联的0.1（ohm）电阻和接地的0.1μF陶瓷电容器，可以轻松抑制这些幅度通常达到数百毫伏的高频尖峰。通常，连接电源和负载的导线的寄生电感足以消除这些哈希尖峰。

输入滤波电容未抑制的输入电流噪声（由于与输入电容相关的ESR和ESL过高）返回到电池和AC适配器。同样的噪音会污染连接到电池的其他负载。如果噪声导致电池线或交流适配器电缆充当天线，则产生的EMI可能违反FCC规定。

降压拓扑稳压器中的输入滤波电容需要承受大电流阶跃;在升压电路中，该电容器的电流由柔和斜坡组成。与升压情况下的三角波相比，降压稳压器的斩波方波输入电流具有较高的初始幅度，并且包含可能导致RFI的高频分量。傅里叶分析表明，方波谐波以每十年20dB的速度滚降，而三角波每十年滚降40dB。遗憾的是，便携式系统常用的另外两种拓扑，降压-升压和反激式，在输入和输出端都有斩波纹波波形。

输出滤波电容中的寄生电感和电阻是开关模式稳压器输出端电压噪声的主要原因。输出噪声的次要原因是该电容器的有限值。电流脉冲，即稳压器注入的电流脉冲或负载中的数字开关噪声，与电容器的 ESR 和 ESL 相互作用，产生电压阶跃和尖峰（图 2）。

图2.开关模式稳压器开关频率处的纹波电流会导致ESR引起的噪声阶跃。快速上升的电流边沿会导致 ESL 引起的哈希峰值 （a）。（b）中的照片清楚地显示了ESR和电容的影响，但ESL引起的高频尖峰是不可见的。这款175kHz、5V至12V转换器工作在不连续模式下，因此ESR阶跃仅存在于三角电流波形的前缘。

ESR引起的噪声遵循欧姆定律：峰峰值噪声等于ESR乘以电流脉冲幅度。ESL引起的噪声的幅度与ESL的乘积和电流脉冲边沿的变化率成正比。例如，如果将上升时间为1nsec的20A脉冲注入ESL通常为4nH的钽电容器，则结果是4nHx（1A/20nsec）= 200mV的尖锐Ldi/dt尖峰。

开关噪声还具有引起泛光效应的容性成分：快速转换电感电流返回输出，然后在开关周期的后半段以RC方式衰减，因为输出电容放电到负载中。每个循环倾倒的电荷量和滤波器的容量决定了电容性泛光和衰减的量。这种容性纹波通常不如ESR和ESL效应那么明显，因为对于给定的ESR和ESL水平，典型的电解和钽电源电容器具有相对较大的电容量。

换言之，电阻和电感而不是电容在开关频率下主导电容器的交流阻抗。然而，随着设计人员开始使用500kHz或更高的开关频率，并因此转向陶瓷滤波电容器，这一规则正在发生变化。与铝电解电容器和钽电容器相比，陶瓷类型在给定的成本和尺寸下具有较小的电容。此外，在电荷量相同的情况下，降低电容会导致更大的电压变化。

作为终极噪声消阻器，许多设计人员在他们的工具箱中保留了一个怪物电容器，例如三洋OS-CON 2200μF，有机半导体，固体铝器件（ESR约为5m（ohm））或用于高频工作的100μF多层陶瓷电容器。这些专用电容器是伟大的噪声杀手，更多的是因为它们的超低ESR和ESL，而不是它们的大电容。相比之下，220μF、10V AVX TPS 表贴钽电容器的 ESR 约为 60m（ohm） 和 4nH ESL，而 1μF 单片陶瓷电容器的 ESR 约为 10m（ohm） 和 100pH ESL。

除了滤波电容的缺陷外，开关稳压器输出噪声的主要原因是电路拓扑和工作点。电感的净效应、输入和输出电压之比以及开关频率决定了倾倒到输出端的电流脉冲的幅度和形状。

开关模式稳压器的控制环路通常仅对稳压器的输出噪声产生次要影响。例如，电流模式PWM控制的噪声特性与占空比（电压模式）PWM非常相似。这条规则确实有一些明显的例外。在简单的迟滞反馈环路中，输出纹波在两个比较器阈值电压之间波动，而在脉冲跳跃脉冲调频（PFM）稳压器中，开关频率是负载电流的函数。

不稳定的控制环路也会导致输出噪声增加。例如，斜率补偿不当的电流模式PWM稳压器会出现阶梯式电感电流波形，其峰值电流超过正常工作条件的正常水平。然后，这些峰值电流流过输出电容ESR，从而产生高水平的纹波电压。

在示波器上观察开关稳压器的输出噪声波形可以揭示稳压器的工作情况。ESR的影响通常主导输出噪声，因此电压纹波反映了电感电流波形。通过实践，您可以识别工作参数，例如占空比、电感饱和、不连续工作和电流模式内环路不稳定性，而无需连接电流探头或插入与电感器或变压器串联的检流电阻。

脉冲跳跃PFM与PWM控制方案

尽管PFM控制因其轻负载效率超过PWM而在电池供电设备中变得普遍，但实际PFM操作鲜为人知（图3，a和b）。PFM值得研究，因为该方案展示了一些有关稳定性和频域效应的重要问题。

固定频率PWM（图3、c和d）提供了所有控制架构中最稳定和可预测的噪声性能。您可以选择开关频率及其谐波，使音频频段或选定的RF频段保持无开关噪声。对于要求苛刻的应用，您可以通过将PWM控制器同步到外部时钟来消除振荡器频率的误差和漂移。并非所有PWM架构都具有固定频率;迟滞和恒定关断时间架构是可变频率类型。

图3.虽然脉冲跳跃PFM转换器（如时钟（a）和迟滞（b）型）比PWM转换器噪声更大，但具有极高的轻负载效率，因此在电池供电系统中很受欢迎。PFM 转换器通过在轻负载时降低脉冲来降低开关损耗。PWM转换器，例如（c）中的占空比控制电压模式转换器和（d）中的电流模式转换器，通常以恒定频率切换。

变频PFM很流行，因为它延长了挂起和待机操作模式下的电池寿命。在轻负载下，PFM 系统通过以极低的频率开关来最大限度地降低开关损耗。这些低频导致开关噪声下降到音频频段。这种低频噪声是不受欢迎的，因为低频滤波器需要大而昂贵的LC元件。

此外，一些设计人员不喜欢PFM转换器，因为这些转换器的反馈环路本质上是不稳定的。这一点提出了一些有趣的考虑，例如稳定性和噪声之间的关系。您必须问不稳定的转换器是否本质上比稳定的转换器更嘈杂。您还必须定义稳定性。稳定性的一些标准是增益/相位图上的裕量为 50°，示波器可以轻松触发的干净且规则的开关波形，以及 V外当您使电源电压承受较大的线路和负载瞬变时，这不会超过允许的输出容差。PFM或迟滞PWM稳压器可以满足所有这些通用标准，但仍然不稳定，但这种不稳定性不一定是问题，除非在最苛刻的应用中。

从最严格的意义上讲，您必须将除频域外在任何地方都稳定的电源视为不稳定。这种严格的稳定性定义对音频和RF设计人员非常有用，他们必须忍受电源操作的传导和辐射副产品。这些副产物包括基波开关频率倍数的噪声谐波。例如，如果负载变化使PFM电源的可变开关频率低于455kHz IF频带，则RF调制解调器设计人员会感到不满。

PFM转换器和其他不稳定转换器的幅度和频率通常比稳定转换器噪声更大。这种较高噪声的原因取决于转换器的设计和问题。例如，PFM转换器在每个开关周期开始时将固定量的电流释放到输出中。因此，即使在轻负载下，输出电容也会受到大幅度电流脉冲的冲击。通过添加另一个滤波电容，可以轻松消除产生的噪声幅度，该幅度通常比PWM转换器高25%至100%。另一方面，PWM转换器不允许峰值电感电流接近限流阈值，除非存在过载或其他故障。相反，PWM转换器的连续可变占空比导致峰值电流徘徊在与负载电流成比例的某个中间电平附近。

PFM在频域上不如PWM。但是，您通常可以选择元件值，强制PFM转换器在最小负载条件下高于音频频段工作（图4）。例如，通过调整一次性定时电容来降低PFM稳压器的最大导通时间，可以提高最小开关频率。这种方法的唯一缺点是，由于开关损耗较高，效率会略有下降。

图4.重载时，MAX782电池供电的DC/DC转换器工作在固定频率PWM，噪声集中在300kHz基波开关频率和相关谐波（a）。在较轻负载时，电路自动切换到PFM模式。然后，明智地选择元件，使所有大于20mA （b）的负载的开关噪声保持在50kHz以上。

输出噪声与频率的关系

脉冲跳跃PFM稳压器产生的额外噪声通常无关紧要，除非在要求苛刻的应用中，例如紧凑包装的蜂窝电话或18位立体声适配器。笔记本电脑和其他以数字为主的系统对电源纹波具有很强的耐受性。此外，峰值电流在便携式系统中典型的功率水平下是良性的，因此产生的噪声很少令人头疼。

从FCC/VDE认证的角度来看，PFM稳压器的随机可变频谱优于PWM稳压器的固定开关频率。FCC 在指定频段中查找高于特定水平的噪声。固定频率PWM转换器在开关频率及其谐波处产生噪声峰值，但PFM转换器的随机噪声通常会在更宽的频率范围内传播。

最近的电池供电型开关稳压器可用作固定频率PWM转换器或脉冲跳跃PFM转换器，具体取决于负载电流。图1中的IC5就是这样一个例子，它将这一概念向前推进了一步。该 IC 提供噪声抑制控制输入 SKIP，可覆盖 PFM 和 PWM 模式之间的正常自动切换。相反，SKIP 会强制固定频率操作，而不考虑负载。因此，在激活噪声敏感负载（如RF发射器）时，系统必须将SKIP拉低。

图5.该电流模式PWM控制器IC具有两个低噪声特性：一个用于将内部振荡器与外部时钟同步的输入，以及一个模式控制输入（SKIP），可以覆盖PWM和PFM之间的正常自动切换，从而即使在空载时也能强制固定频率连续导通操作。

审核编辑：郭婷