固安信通信號(hào)技術(shù)股份有限公司 趙寶全

一種微型低噪低成本穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)方法

固安信通信號(hào)技術(shù)股份有限公司 趙寶全

通過(guò)分析開(kāi)關(guān)電源的噪聲來(lái)源并通過(guò)合理的器件選型、濾波技術(shù)以及并聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)來(lái)降低和抑制噪聲，獲得高效率低噪低成本的微型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。該設(shè)計(jì)可以提高工作時(shí)間、降低系統(tǒng)發(fā)熱、降低成本、減小板上面積，尤其適合在電池供電的寬電源范圍內(nèi)應(yīng)用。

DCD；開(kāi)關(guān)電源；低噪聲

0　引言

在使用電池的測(cè)量設(shè)備中需要高效率、低噪聲、板上占用面積小、成本低特性的電源。開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率高，功率密度高，但噪聲對(duì)于模擬鏈路造成很大騷擾。通常是采用開(kāi)關(guān)電源加LDO的二級(jí)結(jié)構(gòu)，但是LDO本身的損耗降低有限并且發(fā)熱嚴(yán)重。本文通過(guò)分析開(kāi)關(guān)電源的噪聲來(lái)源進(jìn)行選型設(shè)計(jì)，獲得所需電源。

1. 噪聲來(lái)源

開(kāi)關(guān)電源（如圖1）通過(guò)開(kāi)關(guān)管通斷來(lái)為儲(chǔ)能元件充能及二極管續(xù)流來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓變換。噪聲的來(lái)源也主要來(lái)自這三個(gè)基礎(chǔ)元件。開(kāi)關(guān)管工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其波形為方波，表現(xiàn)為寬帶噪聲信號(hào)，而儲(chǔ)能元件在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)會(huì)形成一個(gè)高壓尖峰，并且極性相反。在儲(chǔ)能元件充電和放電的過(guò)程中形成低頻的脈動(dòng)噪聲。總的噪聲波形［1］為圖2所示。

圖1 降壓型DC-DC原理圖

圖2 噪聲波形

2. 器件選型

開(kāi)關(guān)管的工作頻率和自身的參數(shù)Rd是主要選型因素，開(kāi)關(guān)頻率在1.2M左右效率和響應(yīng)速率較高，2.1M左右噪聲較小，綜合后在1.1M-2.2M區(qū)間進(jìn)行選擇。而開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通Rd則是越低越好。

電感元件主要為充能和放能兩個(gè)工作階段。L值過(guò)大，充能時(shí)間長(zhǎng)，頻率不能做到很高，在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)閉時(shí)產(chǎn)生的尖峰脈沖也更大.另外由于Q值較低，損耗變大，效率也較低。所以選擇Q值高，L值低的電感器件?？稍?0uH以下選擇。

續(xù)流二極管會(huì)貢獻(xiàn)少量噪聲，通過(guò)選擇同步型控制芯片去掉該元件或使用RC緩沖電路降低該元件導(dǎo)致的噪聲。輸入和輸出端使用電容來(lái)降低紋波噪聲。

3. 噪聲抑制

按照上述方法可以把噪聲控制在20-50mVPP以下，但需要進(jìn)一步的抑制到模擬鏈的噪聲容忍范圍內(nèi)。噪聲分為輸出端和輸入端的傳導(dǎo)噪聲、磁性元件的輻射噪聲。

3.1輻射噪聲抑制

對(duì)輻射噪聲抑制可使用距離分割的措施，由于輸入端噪聲為輸出端噪聲的5倍左右，所以電源的輸入端和模擬鏈路距離要最遠(yuǎn)。噪聲耦合與隔離距離成指數(shù)下降。在模擬鏈路增加地層鋪銅或地線有更好效果，不要在電源附件鋪設(shè)模擬地。對(duì)電源部分進(jìn)行屏蔽是更有效的方法，成本較高，接地的方式為單點(diǎn)接地。由于電源發(fā)熱量大，屏蔽不利于散熱，逆向思路是給模擬鏈路加屏蔽。

3.2傳導(dǎo)噪聲抑制

傳導(dǎo)噪聲中紋波［2］噪聲頻帶分布在100KHz-3MHz，尖峰噪聲頻帶為100MHz左右。通過(guò)2級(jí)濾波器分別處理。對(duì)紋波噪聲使用LC濾波器，對(duì)尖峰噪聲使用磁珠電容濾波器［3］。

濾波器：

LC濾波器起到調(diào)節(jié)阻抗作用，對(duì)高頻信號(hào)形成對(duì)地低阻抗通道。由于器件的寄生參數(shù)，超過(guò)50MHz的噪聲效果不好。使用（如圖3所示）π型3階結(jié)構(gòu)［4］，在電感的左右有低阻抗通道，既阻隔噪聲的傳導(dǎo)也阻隔噪聲的反饋，兩端的電容會(huì)對(duì)瞬態(tài)的電流需求形成儲(chǔ)備。濾波器件的不同參數(shù)會(huì)產(chǎn)生很大的差異，L值太小則ESR較大，產(chǎn)生較大的損耗和壓降，L值選擇太大則分布電容變大，高頻噪聲阻隔效果變差，所以推薦不超過(guò)10uH。電容的阻抗如圖4所示的浴盆曲線，在高頻時(shí)電容的阻抗變大，去耦低阻抗通道消失導(dǎo)致濾波器性能下降。所以選擇低ESL類型的器件，推薦不超過(guò)10-100uF，通過(guò)并接0.1-10nF的電容來(lái)調(diào)整頻帶響應(yīng)。需注意電容值太大會(huì)在啟動(dòng)期間形成過(guò)重負(fù)載導(dǎo)致電源震蕩。

圖3 π型3階濾波器圖

圖4 器件模型及阻抗曲線

磁珠濾波器的磁珠為耗能元件，并且在高頻時(shí)阻抗很高，形成對(duì)高頻信號(hào)的阻隔和消耗，電容形成對(duì)地低阻抗通道，消除尖峰脈沖噪聲內(nèi)的高頻成分。

3.3濾波器結(jié)構(gòu)

差模濾波器結(jié)構(gòu)（如圖5所示）滿足單電源供電需求。共模濾波器結(jié)構(gòu)（如圖6所示）滿足對(duì)共模噪聲有更高的要求或正負(fù)2個(gè)電源軌的需求， L1和L2使用共模電感效果最好。

圖5 差模2級(jí)π型濾波器圖

圖6 差模和共模2級(jí)π型濾波器

4. 模塊并聯(lián)

上述濾波器能夠起到很好的效果，但是不適合大電流的應(yīng)用，一般應(yīng)用在600mA以下，如果需要更高的功率可選擇均流型控制芯片并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。模塊化并聯(lián)疊加設(shè)計(jì)反而更加簡(jiǎn)單。

5. 總結(jié)

通過(guò)本文介紹的合理的選型方法和外圍濾波電路設(shè)計(jì)以及屏蔽結(jié)構(gòu)和多模塊并聯(lián)結(jié)構(gòu)即可獲得所需的高效低噪低成本穩(wěn)壓電源。

［1］Henry JZhang.Application Note 140線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)模式電源的基本概念［EB/OL］.LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION 2013.

［2］Jim Williams.Application Note 101 Minimizing Switching Regulator［EB/OL］.LINEARTECHNOLOGY CORPORATION 2005.

［3］Rui Du. AN-1141用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器為雙電源精密ADC供電［EB/ OL］.Analog Devices2012.

［4］森榮二著（日），薛培鼎譯.LC濾波器設(shè)計(jì)與制作［M］.北京：科學(xué)出版社，2005：71-84.

趙寶全（1986—），男，硬件工程師，從事測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。