升压型DC-DC转换器中高频噪声的抑制方法解析

关于如何降低升压电源中产生的高频噪声，将分“通过减少谐振能量和电感量来降低高频噪声”、“提高导通速度和尽可能减小反向恢复电流”、“尽可能减小输出环路中的电感分量”、“通过元器件配置和图案设计尽可能减小输出环路面积”和“谐振无法降为零，因此增加LC滤波器”几部分进行说明。

通过减少谐振能量和电感量来降低高频噪声

要想降低高频噪声，就需要减少引发低边开关ON/OFF时振铃的能量。另外，当能量在电感分量和电容分量之间传递时，会引发LC谐振，因此如果没有电感或电容，就不会发生谐振。减少输出环路的电感分量即可减少所积蓄的能量，从而可以减小LC谐振并降低高频噪声。

提高导通速度和尽可能减小反向恢复电流

要想减少引发低边开关关断时振铃的能量，需要减少开关节点电压VSW的过冲。要想减少高边开关的导通延迟，需要选择导通延迟较小的高速二极管。

要想减少低边开关导通时产生的振铃能量，需要减小反向恢复电流。如果是输出电压较低的二极管整流，则需要使用肖特基势垒二极管。

与PN结硅二极管不同，肖特基势垒二极管由于不使用空穴进行整流，因此不会流过反向恢复电流，并且其VF也低于硅二极管，效率也更高。但反向偏压时反向流动的漏电流比硅二极管的要大，因此当输出电压较高且在高温环境下使用时，需要注意防止热失控。

如果输出电压高达数百伏，由于反向耐压和热失控问题而无法使用肖特基势垒二极管，则可以使用快恢复二极管，它是硅二极管的一种，其反向恢复电流较小。虽然快恢复二极管的VF比普通硅二极管要高，但在输出电压较高的情况下，对效率下降的影响很小。

在采用二极管整流方式的情况下，选择二极管时需要注意的是，同步整流时高边开关所用的FET中有寄生二极管，并且无法从FET中去除，因此无法更换为高性能的二极管。死区时间内有电流流过寄生二极管，但寄生二极管相当于PN结硅二极管，其作为二极管的特性并不好。因此，在采用同步整流方式时，需要通过尽可能缩短死区时间，并控制栅极驱动时序使流过二极管的电流尽可能小，从而使导通延迟和反向恢复电流尽可能小。

尽可能减小输出环路中的电感分量

高边开关导通后，高速脉冲电流流入输出电容器。但是，受输出电容器的ESL影响会产生反电动势，在输出电容器中也会产生脉冲状高电压，其后流过的电流会使磁能积蓄在ESL中并成为谐振的能量源。

通过选择ESL低的产品作为输出电容器，可以降低脉冲电压的峰值，另外由于积蓄的能量减少而可以减少谐振，最终可以降低高频噪声。但是，由于升压型DC-DC转换器需要高耐压且大容量的电容器，这会导致其物理尺寸较大，因而很难找到ESL小的电容器。

在这种情况下可以考虑并联容量为1/N的N个电容器，而不是使用1个大容量电容器。这样通过减小每个电容器的尺寸来降低ESL，并且通过并联连接将ESL进一步降低至1/N。然而，这种方法虽然有效，却会因数量N的增加而导致元器件综合成本上升，存在成本问题。

此外，还可以通过增加小容量的小型陶瓷电容器来降低输出环路中的ESL。高边开关导通时，在输出电容器中产生的高速电流波动存在时间为数ns～数十ns。如果流过的电流为几安培，则其电荷量仅为100nC左右，因此，即使是低于1μF的小容量电容器，只要ESL低，接收到这个量的电荷量也不会发生较大的电压上升情况。

当然，具体情况也会因电感电流的大小而异，但对于小容量电源而言，可以考虑在高边开关的输出侧和低边开关的接地侧之间配置0.1μF左右的小型陶瓷电容器，在配置时要使这两侧之间的距离尽可能短。这样就无需经由输出电容器的较大ESL了，从而可以更大程度地减少输出环路的电感分量。

通过元器件配置和图案设计尽可能减小输出环路面积

在输出环路的电感分量中，输出电容器的ESL所占比例最大。通过并联小容量的小型陶瓷电容器，可以大幅降低ESL带来的电感量。然而，连接元器件的电路板图案布线也会产生电感量，输出环路本身也会成为一圈电感。通过尽可能减小元器件之间的布线距离，可以减少布线产生的电感量。

另外，一个输出环路本身具有的电感量与环路面积是成正比的，因此在设计元器件布局时应尽量减小环路面积。另外，还可以通过扩展元器件之间布线的图案宽度来填充环路内的空间，从而使环路面积更小。

此外，输出环路中会产生谐振并流过谐振电流，流经环路的高频谐振电流会在周围空间形成高频变化的磁场。这种高频变化的磁场可能会成为EMI（电磁干扰）并在空间中传播，使噪声向周围扩散。

流经环路的高频电流所产生的空间磁场的强度也与环路面积成正比。缩小环路面积不仅可以减少产生的噪声量，还可以减少辐射到空间中的EMI，因此尽可能减少环路面积是噪声对策中非常重要的措施。

谐振无法降为零，因此增加LC滤波器

低边开关FET的COSS无法降为零，输出环路的电感分量也无法降为零，加上开关的导通和关断速度越来越快，所以无法完全消除高频噪声。

有一种方法可以有效防止输出中产生的高频噪声传输到负载电路中，即在电源输出线路中插入LC低通滤波器。这种LC低通滤波器使用了可有效消除几百MHz频段噪声的铁氧体磁珠，以及在几百MHz频段具有低ESL特性的1000pF级小型陶瓷电容器。

尤其是铁氧体磁珠，其在高频下的阻抗大部分是电阻分量，能够通过电阻分量以焦耳热的形式消耗高频电能，因此是非常有效的降噪部件。

审核编辑：刘清