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理解输出电压纹波和噪声二:高频噪声分量的来源和抑制

发布时间:2020-09-11 来源:Yuan Tan 责任编辑:wenwei

【导读】输出电压波形中除了开关频率分量的纹波以外,还存在高频噪声分量,如图1所示。高频噪声是如何形成的呢?主要是由电路中的寄生参数造成的。在实际电路中,PCB走线存在寄生电感和电阻,输入输出电容会引入寄生电感和电阻,两个不同电位的平面之间会形成寄生电容。
 
第一部分:输出电压噪声
 
输出电压波形中除了开关频率分量的纹波以外,还存在高频噪声分量,如图1所示。高频噪声是如何形成的呢?主要是由电路中的寄生参数造成的。在实际电路中,PCB走线存在寄生电感和电阻,输入输出电容会引入寄生电感和电阻,两个不同电位的平面之间会形成寄生电容。以Buck电路为例,上下管切换的瞬间,输入回路中的寄生电感与开关管的输出电容谐振。因此,开关节点SW在上升和下降沿会产生高频振荡,且寄生参数越大,振荡的幅度也越大,甚至损坏开关管。该高频振荡会通过SW节点与输出VOUT之间的寄生电容耦合到输出电压,也就是输出电压中的高频噪声。
 
理解输出电压纹波和噪声二:高频噪声分量的来源和抑制
图1. Buck电路的寄生参数
 
第二部分:输出电压噪声的抑制
 
了解高频噪声的来源和耦合途径,可以帮助我们有针对性地抑制输出电压噪声。下面分别介绍如何通过噪声源和耦合途径来抑制输出电压噪声。
 
针对噪声源,有如下几种抑制方法:
 
PCB布板时尽量减小输入高di/dt回路
Buck电路的输入回路由输入电容CIN, 上管HS和下管LS组成。 HS和LS的开关动作导致输入环路电流的非连续性,引起SW电压的振荡。 输入环路越大,振荡越严重,开关管的电压应力越大。将输入电容尽可能靠近HS和LS,保证输入环路尽最小,可有效降低开关节点SW的振荡,如图2所示。
 
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图2. 输入电容位置对输出电压噪声的影响
 
使用TI HotRod 封装产品
 
HotRod 封装技术将芯片内部的die倒置,通过铜柱直接连接die 和lead frame,消除了使用wire bond引入的寄生电感,减小SW节点的振荡,例如LMR33630。另外,如图4所示,HotRod封装有两个电源VIN引脚和两个接地GND引脚,分别位于封装的两端。这种引脚分配可以减少VIN和GND回路造成的寄生环路电感。如果在器件的两边都有对称布局的输入电容,等效寄生回路电感则会减半(两个相等的并联电感)。这可以有效地减少高的di/dt 产生的噪声,相当于高频滤波。
 
理解输出电压纹波和噪声二:高频噪声分量的来源和抑制
图3. TI Hotrod 封装技术
 
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图4. LMR33630 对称输入降低
 
1. 使用TI电源模块产品
 
由于Layout的限制,输入电容无法无限靠近Buck 芯片。TI的电源模块产品集成高频输入电容和电感,进一步减小输入回路和SW节点的面积,降低噪声,如图5所示。
 
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图5. TI电源模块产品
 
针对耦合途径,有如下几种抑制方法:
 
1. 选择寄生电容较小的电感
 
理想电感对高频噪声呈现很大的阻抗,因此输出电压中的噪声很小。但是,实际电感存在寄生电容,噪声会通过耦合电容,耦合到输出电压。因此,选择耦合电容较小的电感,在一定程度上可抑制输出电压噪声。
 
理解输出电压纹波和噪声二:高频噪声分量的来源和抑制
图6.噪声耦合途径
 
1. 并联高频滤波电容
 
直观地理解,输出电压噪声等于SW噪声在输出电容阻抗和输出电感阻抗的分压。也就是说,输出电容在噪声频率处的阻抗越小,耦合到输出的噪声就越小。但是,多个电容并联后,输出电容的阻抗曲线会存在多个谐振点。如图7所示,增加高频电容后,在谐振点处,阻抗最小; 谐振点之前,阻抗变大; 谐振点之后,阻抗变小。因此,并非增加高频电容就一定能减小输出噪声。噪声频率位于谐振点处,输出噪声最小。如图8所示,增加220pF的电容,电压噪声反而增加了。因此,选择合适的输出电容至关重要。
 
理解输出电压纹波和噪声二:高频噪声分量的来源和抑制
图7.输出并联高频滤波电容的阻抗特性
 
理解输出电压纹波和噪声二:高频噪声分量的来源和抑制
图8. 不同电容对输出电压噪声的影响
 
综上所述,理解输出电压噪声的形成原理,根据实际应用要求,选择先进的封装技术/电源模块产品、优化PCB布局、增加滤波电容可有效降低输出电压噪声,满足应用需求。
 
 
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