版權說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內容提供方,若內容存在侵權,請進行舉報或認領
文檔簡介
【Word版本下載可任意編輯】開關穩(wěn)壓器PSRR及信號分析方法本文將介紹開關穩(wěn)壓器的幾種不同類型的固有噪聲:開關紋波、寬帶噪聲和高頻尖峰。本文還將討論和分析與輸入噪聲抑制相關的開關穩(wěn)壓器PSRR。設計低噪聲開關穩(wěn)壓器時,為了消除LDO后置穩(wěn)壓器以提高功率轉換器效率、減小解決方案尺寸并降低設計成本,全面了解開關穩(wěn)壓器噪聲非常重要。
簡介
一般而言,與低壓差(LDO)穩(wěn)壓器輸出相比,人們認為傳統開關穩(wěn)壓器的輸出電壓噪聲很大。然而,LDO電壓會引起嚴重的額外熱問題,并使得電源設計更加復雜。全面認識開關穩(wěn)壓器噪聲很有必要,有助于設計低噪聲開關解決方案,使之產生與LDO穩(wěn)壓器相當的低噪聲性能。本文分析和評估的目標是采用電流模式控制的降壓穩(wěn)壓器,因為它在應用中常用。信號分析是了解開關紋波噪聲、當前寬帶噪聲特性(及其)、開關引起的高頻尖峰噪聲的主要方法。本文將討論開關穩(wěn)壓器PSRR(電源抑制比,其對輸入噪聲抑制很重要)以及信號分析方法。
開關紋波噪聲
本部分依據基波和諧波理論介紹降壓轉換器輸出紋波計算公式。根據開關穩(wěn)壓器拓撲構造和基本操作,紋波始終是開關穩(wěn)壓器中的主要噪聲,因為峰峰值電壓幅度一般為幾mV到幾十mV。它應被視為周期性且可預測的信號。如果以固定開關頻率工作,則在時域中通過示波器,或在頻域中通過傅立葉分解,很容易將其識別并開展測量。
圖1.降壓穩(wěn)壓器拓撲圖1所示為典型的降壓穩(wěn)壓器。兩個開關交替接通和斷開,因此SW節(jié)點電壓VSW是一個理想的方波,此特性進而傳遞到占空比和輸入電壓。VSW可以用下面的公式表示:
其中:VIN為輸入電壓。D為占空比;對于降壓穩(wěn)壓器,其等于VOUT/VIN。VIN確定后,VSW基波和諧波成分僅取決于占空比。圖2顯示了與占空比相關的VSW基波和諧波幅度。當占空比接近一半時,紋波幅度以基波為主。
圖2.降壓穩(wěn)壓器VSW幅度與占空比的關系降壓穩(wěn)壓器輸出LC級傳遞函數如下:
其中,L為輸出電感值,DCR為電感電阻值,CL為電感并聯電容值。COUT為輸出容量值。ESL為電容串聯電感值。ESR為電容串聯電阻值。因此,VOUT可表示如下:
為了簡化計算,我們假設輸出LC級為20dB/十倍頻程,然后是與占空比相關的VOUT紋波基波和諧波幅度,如圖3所示。當占空比接近一半時,三次或奇數次諧波將高于偶數次諧波。由于LC抑制,較高的諧波將具有較低的幅度,并且與總紋波幅度相比,其比例非常小。同樣,基波幅度是開關穩(wěn)壓器輸出紋波中的主要成分。
圖3.降壓穩(wěn)壓器VOUT紋波幅度與占空比的關系對于降壓穩(wěn)壓器,基波幅度與輸入電壓、占空比、開關頻率和LC級有關;但是,所有這些參數都會影響應用要求,如效率和解決方案尺寸等。為了進一步降低紋波,建議增加后置濾波器。
寬帶噪聲
開關穩(wěn)壓器中的寬帶噪聲是輸出電壓上的隨機幅度噪聲。它可以用整個頻率范圍內的噪聲密度來表示,單位為V/√Hz,或用Vrms來表示,其與頻率范圍內的密度不可分。由于硅工藝和基準電壓源濾波器設計的限制,寬帶噪聲主要位于開關穩(wěn)壓器的10Hz至1MHz頻率范圍內,在低頻范圍內很難通過增加濾波器來將其降低。
典型降壓穩(wěn)壓器寬帶噪聲峰峰值幅度電壓約為100μV至1000μV,遠低于開關紋波噪聲。如果使用額外的濾波器來降低開關紋波噪聲,則寬帶噪聲可能成為開關穩(wěn)壓器輸出電壓的主要噪聲。
圖4顯示了當沒有額外濾波器時,降壓穩(wěn)壓器輸出噪聲的主要是開關紋波。圖5顯示了當使用額外濾波器時,輸出噪聲的主要是寬帶噪聲。
圖4.無額外濾波器的VOUT
圖5.有額外濾波器的VOUT(使用1000倍前置放大器開展測量)為了識別和分析開關穩(wěn)壓器輸出寬帶噪聲,必須獲得穩(wěn)壓器控制方案和模塊噪聲信息。例如,圖6顯示了典型的電流模式降壓穩(wěn)壓器控制方案和模塊噪聲源注入。
圖6.典型電流模式降壓穩(wěn)壓器控制方案對于獲得的控制環(huán)路傳遞函數和模塊噪聲特性信息,有兩種不同的噪聲:環(huán)路輸入噪聲和環(huán)內噪聲。控制環(huán)路帶寬內的環(huán)路輸入噪聲會傳輸到輸出,而環(huán)路帶寬之外的噪聲會被衰減。對于開關穩(wěn)壓器,設計低噪聲EA和基準電壓源至關重要,因為單位反應增益會保持噪聲水平不變,而不是隨著輸出電壓電平增加而提高它。的挑戰(zhàn)是找出整個系統中的噪聲源,并在電路設計中降低該噪聲。ADP5014針對低噪聲技術開展了優(yōu)化,采用電流模式控制方案和一個簡單的LC外部濾波器,在10Hz至1MHz頻率范圍內實現了低于20μVrms的噪聲性能。ADP5014的輸出噪聲性能如圖7所示。
圖7.采用額外LC濾波器的ADP5014輸出噪聲性能高頻尖峰和振鈴第三類噪聲是高頻尖峰和振鈴噪聲,因為輸出電壓是由開關穩(wěn)壓器導通或關斷瞬變產生的??紤]硅電路和PCB走線中的寄生電感和電容;對于降壓穩(wěn)壓器,快速電流瞬變將在SW節(jié)點處引起高頻電壓尖峰和振鈴。尖峰和振鈴噪聲會隨著電流負載的提高而提高。圖8顯示了降壓穩(wěn)壓器如何形成尖峰。根據開關穩(wěn)壓器的導通/關斷壓擺率,尖峰和振鈴頻率將在20MHz至300MHz范圍內,受寄生電感和電容影響,輸出LC濾波器在抑制方面可能不是非常有效。與上述關于傳導路徑的所有討論相比,差的是來自SW和VIN節(jié)點的輻射噪聲,由于其頻率非常高,輸出電壓和其他模擬電路會受到影響。
圖8.降壓穩(wěn)壓器高頻尖峰和振鈴噪聲為了降低高頻尖峰和振鈴噪聲,建議采用有效方法實施應用和芯片設計。首先,在終端負載上應使用額外的LC濾波器或磁珠。通常,這會使輸出上的尖峰噪聲遠小于紋波噪聲,但會增加更高頻率的成分。其次,應屏蔽SW和輸入節(jié)點的噪聲源或讓其遠離輸出側及敏感模擬電路,并且屏蔽輸出電感。精心布局和布線對設計很重要。第三,優(yōu)化開關穩(wěn)壓器的導通/關斷壓擺率,并盡量減小開關穩(wěn)壓器的寄生電感和電阻,從而有效降低SW節(jié)點噪聲。ADISilentSwitcher?技術也有助于通過芯片設計降低VIN節(jié)點噪聲。
開關穩(wěn)壓器PSRR
PSRR反映開關穩(wěn)壓器抑制輸入電源噪聲傳輸到輸出的能力。本部分分析低頻范圍內的降壓穩(wěn)壓器PSRR性能。高頻噪聲影響輸出電壓主要是通過輻射路徑,而不是通過前面討論的傳導路徑。
圖9.從輸入電壓到輸出的電流模式降壓小信號圖根據圖9所示的降壓小信號圖,降壓PSRR可以表示如下:
其中:
Fm為斜率增益
Fg為控制輸入電壓
Rcs為電流檢測增益
Zo(s)為輸出電容和負載
Tv(s)為環(huán)路傳遞函數
圖10.采用降壓小信號模式的PSRR計算結果
圖11.SIMPLIS模式的PSRR仿真將信號模式計算與仿真結果開展比較。小信號模式是有效的,與仿真結果一致。
開關穩(wěn)壓器的PSRR性能取決于低頻范圍內的環(huán)路增益性能。開關穩(wěn)壓器的固有LC濾波器可以抑制中頻范圍(100Hz至10MHz)內的輸入噪聲。此范圍內的抑制性能比LDOPSRR好得多。因此,開關穩(wěn)壓器具有理想的PSRR性能,因為其在低頻時具有高環(huán)路增益,而固有LC濾波器會影響中頻范圍。
結論
越來越多的模擬電路,如ADC/DAC、時鐘
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯系上傳者。文件的所有權益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網頁內容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
- 4. 未經權益所有人同意不得將文件中的內容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫網僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內容的表現方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內容負責。
- 6. 下載文件中如有侵權或不適當內容,請與我們聯系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 2025年金融租賃產品委托借貸居間合同范本3篇
- 2025年新型建筑外架施工勞務分包合同模板9篇
- 2025年水產養(yǎng)殖場養(yǎng)殖廢棄物處理與環(huán)保技術引進合同3篇
- 2025年陶瓷水杯采購與市場渠道建設合同3篇
- 二零二五年度美發(fā)店美容美發(fā)行業(yè)投資咨詢與評估合同4篇
- 二零二五年度民政局官方版自愿離婚協議書及子女撫養(yǎng)協議4篇
- 二零二五版文化旅游用地租賃及項目合作協議3篇
- 保險賠償流程解析模板
- 鋼梯制作安裝施工方案
- 2025年度個人旅游貸款合同樣本11篇
- 油氣行業(yè)人才需求預測-洞察分析
- DB34∕T 4010-2021 水利工程外觀質量評定規(guī)程
- 2024年內蒙古中考英語試卷五套合卷附答案
- 2024年電工(高級)證考試題庫及答案
- 華為集團干部管理
- 圖書館前臺接待工作總結
- 衛(wèi)生院藥品管理制度
- 理論力學智慧樹知到期末考試答案章節(jié)答案2024年中國石油大學(華東)
- 2024老年人靜脈血栓栓塞癥防治中國專家共識(完整版)
- 四年級上冊脫式計算100題及答案
- 上海市12校2023-2024學年高考生物一模試卷含解析
評論
0/150
提交評論