射頻通信計(jì)算機(jī)和其他新的移動(dòng)系統(tǒng)可以充當(dāng)不需要的噪聲和EMI的便攜式發(fā)生器，從而阻礙其自身的市場接受度。見證紐約拉瓜迪亞機(jī)場的近乎災(zāi)難，其中筆記本電腦的EMI可能導(dǎo)致客機(jī)著陸系統(tǒng)故障。或者，考慮一下第一臺(tái)DOS掌上電腦，它因可聽見的開關(guān)穩(wěn)壓器噪音而振動(dòng)如此之大，以至于計(jì)算機(jī)可以直接“走”下桌子。

電源噪聲問題很少像這些情況那樣嚴(yán)重。相反，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常在研發(fā)階段解決問題;最終用戶間接地（如果有的話）將問題視為產(chǎn)品推出的延遲。

噪聲對(duì)于便攜式系統(tǒng)特別有趣，因?yàn)殡娫赐ǔＪ嵌ㄖ圃O(shè)計(jì)，由負(fù)責(zé)邏輯板、模擬電路和其他子系統(tǒng)的同一團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建。因此，對(duì)于便攜式系統(tǒng)，您不能僅僅將電源采購為黑匣子，并保證最大輸出噪聲水平的規(guī)格。

用于GaAs MESFET的柵極偏置發(fā)生器為電源中的低噪聲要求提供了一個(gè)很好的例子。典型的砷化鎵發(fā)射器在共源配置中采用耗盡模式MESFET，因此柵極需要一個(gè)負(fù)偏置電壓。該電壓上的任何噪聲都會(huì)與RF信號(hào)混合并產(chǎn)生不需要的互調(diào)產(chǎn)物，進(jìn)而在RF載波上產(chǎn)生不需要的AM邊帶。如果AM頻段落在RF信道內(nèi)，則無法濾除，因此必須首先指定一個(gè)干凈的直流偏置電壓。

噪音類型

便攜式系統(tǒng)中的噪聲有多種形式。主要類型是輸入、輸出、輻射和微音。輸入噪聲通常包括反射紋波，其中開關(guān)模式電源的輸入電流噪聲與原始電源電壓的源阻抗相互作用。結(jié)合任何RF噪聲（可能由高速邏輯感應(yīng)并通過電源耦合回輸入），由此產(chǎn)生的干擾會(huì)污染交流線路和電池電壓。

輸出噪聲是電壓噪聲，可能會(huì)擾亂對(duì)噪聲敏感的負(fù)載，例如Creative Labs（加利福尼亞州米爾皮塔斯）的SoundBlaster音頻電子設(shè)備。輻射噪聲可以是電磁噪聲或靜電噪聲，通常起源于磁性元件，例如變壓器和電感器、開關(guān)和整流器或具有大而快速電壓擺幅的開關(guān)節(jié)點(diǎn)。

微音噪聲是可聽見的聲音，其通常原因是低頻開關(guān)波形激勵(lì)線圈繞組并使它們機(jī)械地相互振動(dòng)。通?？梢酝ㄟ^提高最小頻率或在繞組上涂清漆來解決此問題。

便攜式系統(tǒng)中最糟糕的噪聲發(fā)生器幾乎從來都不是電源本身。例如，從電源設(shè)計(jì)人員的角度來看，筆記本電腦由電池、電力電子設(shè)備和許多相對(duì)不重要的負(fù)載組成，例如CPU、RAM和I / O。從這種以功率為中心的角度來看，CPU是一個(gè)產(chǎn)生大量噪聲和EMI的大熱源。

將EMI嗅探器對(duì)準(zhǔn)典型的便攜式設(shè)備通常會(huì)顯示系統(tǒng)時(shí)鐘是最差的噪聲信號(hào)，而電源噪聲相對(duì)較低。這種相對(duì)重要性也適用于傳導(dǎo)噪聲;時(shí)鐘CMOS邏輯系統(tǒng)中由動(dòng)態(tài)負(fù)載變化引起的開關(guān)噪聲通常在電源軌上產(chǎn)生的電壓噪聲遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于開關(guān)電源本身。啟停時(shí)鐘操作給電源帶來殘酷的50A/msec負(fù)載瞬變，會(huì)產(chǎn)生特別麻煩的電壓噪聲。

當(dāng)負(fù)載在電源軌上產(chǎn)生噪音時(shí)，誰應(yīng)該受到責(zé)備？邏輯設(shè)計(jì)人員可以很容易地責(zé)怪電源設(shè)計(jì)人員，說“如果可憐的電源具有較低的輸出阻抗，我所有的邏輯噪聲都會(huì)分流到地，每個(gè)人都會(huì)很高興。關(guān)鍵是負(fù)載引起的噪聲是一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題。為了確保每個(gè)人都滿意，包括采購部門，邏輯和電源設(shè)計(jì)人員必須合作。

啟停時(shí)鐘操作說明了這種合作需求。通常的暴力破解方法用于解決大負(fù)載瞬變引起的Ldi/dt尖峰，這種方法非常昂貴：在負(fù)載上連接低阻抗旁路電容器，使瞬變?cè)诘竭_(dá)電源時(shí)更小、更慢。這種方法有效，但其他方法可能更具成本效益和空間效率。

例如，如果直流輸出容差更嚴(yán)格，例如±2%而不是±5%，則Ldi/dt驟降和過沖不需要攜帶V外超出邏輯可以容忍的限制。換言之，更嚴(yán)格的基準(zhǔn)電壓容差可以通過減小濾波電容器的尺寸和成本來改善系統(tǒng)。

拓?fù)錂?quán)衡

開關(guān)模式電源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、開關(guān)和儲(chǔ)能元件之間的連接配置對(duì)輸出噪聲有很強(qiáng)的影響。對(duì)于便攜式系統(tǒng)，電池輸入電源的首選拓?fù)渫ǔＪ俏宸N基本類型之一：降壓（降壓）、升壓（升壓）、降壓-升壓、反激式或 Royer。

簡單性和高效率是降壓和升壓拓?fù)湓诒銛y式系統(tǒng)中極為常見的原因。降壓和升壓配置幾乎是彼此的鏡像，這使得它們可用于說明DC/DC轉(zhuǎn)換器中的噪聲問題。降壓和升壓拓?fù)涿芮邢嚓P(guān)。如果將電壓源連接到其輸出端，將負(fù)載電阻連接到其輸入端，則帶有同步整流器的降壓穩(wěn)壓器將作為升壓轉(zhuǎn)換器反向工作并升壓。

開關(guān)模式穩(wěn)壓器中的功率電感有時(shí)可用作開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的斬波電流波形的濾波器。對(duì)于降壓電路，電感濾波電流進(jìn)入輸出濾波電容。對(duì)于升壓電路，電感器濾除來自輸入濾波電容的電流。因此，降壓穩(wěn)壓器的輸出相對(duì)安靜，升壓穩(wěn)壓器的輸入相對(duì)安靜（圖 1）。這兩種拓?fù)涫请p重拓?fù)?，因?yàn)橐粋€(gè)是另一個(gè)的逆拓?fù)洹Ｍㄟ^為給定應(yīng)用選擇電池電壓（低與高），您可以選擇在更敏感位置將噪聲降至最低的電路拓?fù)洹?/p>

圖1.通過選擇降壓 （a） 或升壓 （b） 穩(wěn)壓器（它們彼此相反），您可以選擇主要噪聲的位置。降壓穩(wěn)壓器具有噪聲輸入和安靜輸出;升壓穩(wěn)壓器具有安靜的輸入和嘈雜的輸出。

如果系統(tǒng)具有噪聲敏感負(fù)載，則輸出噪聲比輸入噪聲更重要。對(duì)于此類系統(tǒng)，降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用受益于良性電感電流波形。由于缺乏尖銳的電流階躍，這些波形不會(huì)產(chǎn)生高頻輸出噪聲尖峰。其他一些開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浯_實(shí)會(huì)產(chǎn)生這些尖峰，因?yàn)椴ㄐ闻c電容器的走線電感和有效串聯(lián)電感（ESL）相互作用。降壓轉(zhuǎn)換器輸出端的任何“哈希”噪聲（超高頻噪聲尖峰）可能只是示波器探頭接地引線通過拾取EMI產(chǎn)生的幻象噪聲。開關(guān)節(jié)點(diǎn)的雜散電容會(huì)引入二階效應(yīng)，也可能導(dǎo)致輸出哈希，但這種效應(yīng)通常難以察覺。

在連接示波器探頭之前，測量點(diǎn)不存在幻影噪聲;但這種噪聲值得關(guān)注，因?yàn)镋MI進(jìn)入敏感電路就像進(jìn)入探頭的接地引線一樣容易。您可以通過減慢開關(guān)波形的上升和下降時(shí)間以及降低承載大量開關(guān)電流的路徑的電感來降低對(duì)EMI的敏感性。然而，為了完全消除幻象噪聲，必須用鋼或μ金屬屏蔽敏感電路，而不是銅。

降壓轉(zhuǎn)換器在其深度連續(xù)導(dǎo)通模式下工作，其中電感電流在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)不會(huì)恢復(fù)到零，通過降低紋波電流幅度進(jìn)一步降低輸出噪聲。通過增加電感值獲得連續(xù)導(dǎo)通。因此，懲罰包括電感較大、繞組中 I2R 損耗越大而導(dǎo)致效率降低，以及較大電感器的壓擺率較低，負(fù)載瞬變響應(yīng)較慢。

斬波電流波形產(chǎn)生噪聲

升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電容承受的突然電流階躍等于整個(gè)峰值電感電流，而不僅僅是紋波分量，因?yàn)?a target="_blank">整流二極管會(huì)斬波電感電流。這些高幅度快速移動(dòng)的電流轉(zhuǎn)換在與輸出電容的ESL和等效串聯(lián)電阻（ESR）相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生一些噪聲。除了ESR引起的大電壓階躍外，ESL還會(huì)在開關(guān)波形的前沿和后沿引起微小的高頻哈希尖峰。

通過在電源線中使用簡單的RC濾波器（例如串聯(lián)的0.1（ohm）電阻和接地的0.1μF陶瓷電容器，可以輕松抑制這些幅度通常達(dá)到數(shù)百毫伏的高頻尖峰。通常，連接電源和負(fù)載的導(dǎo)線的寄生電感足以消除這些哈希尖峰。

輸入濾波電容未抑制的輸入電流噪聲（由于與輸入電容相關(guān)的ESR和ESL過高）返回到電池和AC適配器。同樣的噪音會(huì)污染連接到電池的其他負(fù)載。如果噪聲導(dǎo)致電池線或交流適配器電纜充當(dāng)天線，則產(chǎn)生的EMI可能違反FCC規(guī)定。

降壓拓?fù)浞€(wěn)壓器中的輸入濾波電容需要承受大電流階躍;在升壓電路中，該電容器的電流由柔和斜坡組成。與升壓情況下的三角波相比，降壓穩(wěn)壓器的斬波方波輸入電流具有較高的初始幅度，并且包含可能導(dǎo)致RFI的高頻分量。傅里葉分析表明，方波諧波以每十年20dB的速度滾降，而三角波每十年滾降40dB。遺憾的是，便攜式系統(tǒng)常用的另外兩種拓?fù)?，降?升壓和反激式，在輸入和輸出端都有斬波紋波波形。

輸出濾波電容中的寄生電感和電阻是開關(guān)模式穩(wěn)壓器輸出端電壓噪聲的主要原因。輸出噪聲的次要原因是該電容器的有限值。電流脈沖，即穩(wěn)壓器注入的電流脈沖或負(fù)載中的數(shù)字開關(guān)噪聲，與電容器的 ESR 和 ESL 相互作用，產(chǎn)生電壓階躍和尖峰（圖 2）。

圖2.開關(guān)模式穩(wěn)壓器開關(guān)頻率處的紋波電流會(huì)導(dǎo)致ESR引起的噪聲階躍?？焖偕仙碾娏鬟呇貢?huì)導(dǎo)致 ESL 引起的哈希峰值 （a）。（b）中的照片清楚地顯示了ESR和電容的影響，但ESL引起的高頻尖峰是不可見的。這款175kHz、5V至12V轉(zhuǎn)換器工作在不連續(xù)模式下，因此ESR階躍僅存在于三角電流波形的前緣。

ESR引起的噪聲遵循歐姆定律：峰峰值噪聲等于ESR乘以電流脈沖幅度。ESL引起的噪聲的幅度與ESL的乘積和電流脈沖邊沿的變化率成正比。例如，如果將上升時(shí)間為1nsec的20A脈沖注入ESL通常為4nH的鉭電容器，則結(jié)果是4nHx（1A/20nsec）= 200mV的尖銳Ldi/dt尖峰。

開關(guān)噪聲還具有引起泛光效應(yīng)的容性成分：快速轉(zhuǎn)換電感電流返回輸出，然后在開關(guān)周期的后半段以RC方式衰減，因?yàn)檩敵鲭娙莘烹姷截?fù)載中。每個(gè)循環(huán)傾倒的電荷量和濾波器的容量決定了電容性泛光和衰減的量。這種容性紋波通常不如ESR和ESL效應(yīng)那么明顯，因?yàn)閷?duì)于給定的ESR和ESL水平，典型的電解和鉭電源電容器具有相對(duì)較大的電容量。

換言之，電阻和電感而不是電容在開關(guān)頻率下主導(dǎo)電容器的交流阻抗。然而，隨著設(shè)計(jì)人員開始使用500kHz或更高的開關(guān)頻率，并因此轉(zhuǎn)向陶瓷濾波電容器，這一規(guī)則正在發(fā)生變化。與鋁電解電容器和鉭電容器相比，陶瓷類型在給定的成本和尺寸下具有較小的電容。此外，在電荷量相同的情況下，降低電容會(huì)導(dǎo)致更大的電壓變化。

作為終極噪聲消阻器，許多設(shè)計(jì)人員在他們的工具箱中保留了一個(gè)怪物電容器，例如三洋OS-CON 2200μF，有機(jī)半導(dǎo)體，固體鋁器件（ESR約為5m（ohm））或用于高頻工作的100μF多層陶瓷電容器。這些專用電容器是偉大的噪聲殺手，更多的是因?yàn)樗鼈兊某虴SR和ESL，而不是它們的大電容。相比之下，220μF、10V AVX TPS 表貼鉭電容器的 ESR 約為 60m（ohm） 和 4nH ESL，而 1μF 單片陶瓷電容器的 ESR 約為 10m（ohm） 和 100pH ESL。

除了濾波電容的缺陷外，開關(guān)穩(wěn)壓器輸出噪聲的主要原因是電路拓?fù)浜凸ぷ鼽c(diǎn)。電感的凈效應(yīng)、輸入和輸出電壓之比以及開關(guān)頻率決定了傾倒到輸出端的電流脈沖的幅度和形狀。

開關(guān)模式穩(wěn)壓器的控制環(huán)路通常僅對(duì)穩(wěn)壓器的輸出噪聲產(chǎn)生次要影響。例如，電流模式PWM控制的噪聲特性與占空比（電壓模式）PWM非常相似。這條規(guī)則確實(shí)有一些明顯的例外。在簡單的遲滯反饋環(huán)路中，輸出紋波在兩個(gè)比較器閾值電壓之間波動(dòng)，而在脈沖跳躍脈沖調(diào)頻（PFM）穩(wěn)壓器中，開關(guān)頻率是負(fù)載電流的函數(shù)。

不穩(wěn)定的控制環(huán)路也會(huì)導(dǎo)致輸出噪聲增加。例如，斜率補(bǔ)償不當(dāng)?shù)碾娏髂Ｊ絇WM穩(wěn)壓器會(huì)出現(xiàn)階梯式電感電流波形，其峰值電流超過正常工作條件的正常水平。然后，這些峰值電流流過輸出電容ESR，從而產(chǎn)生高水平的紋波電壓。

在示波器上觀察開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出噪聲波形可以揭示穩(wěn)壓器的工作情況。ESR的影響通常主導(dǎo)輸出噪聲，因此電壓紋波反映了電感電流波形。通過實(shí)踐，您可以識(shí)別工作參數(shù)，例如占空比、電感飽和、不連續(xù)工作和電流模式內(nèi)環(huán)路不穩(wěn)定性，而無需連接電流探頭或插入與電感器或變壓器串聯(lián)的檢流電阻。

脈沖跳躍PFM與PWM控制方案

盡管PFM控制因其輕負(fù)載效率超過PWM而在電池供電設(shè)備中變得普遍，但實(shí)際PFM操作鮮為人知（圖3，a和b）。PFM值得研究，因?yàn)樵摲桨刚故玖艘恍┯嘘P(guān)穩(wěn)定性和頻域效應(yīng)的重要問題。

固定頻率PWM（圖3、c和d）提供了所有控制架構(gòu)中最穩(wěn)定和可預(yù)測的噪聲性能。您可以選擇開關(guān)頻率及其諧波，使音頻頻段或選定的RF頻段保持無開關(guān)噪聲。對(duì)于要求苛刻的應(yīng)用，您可以通過將PWM控制器同步到外部時(shí)鐘來消除振蕩器頻率的誤差和漂移。并非所有PWM架構(gòu)都具有固定頻率;遲滯和恒定關(guān)斷時(shí)間架構(gòu)是可變頻率類型。

圖3.雖然脈沖跳躍PFM轉(zhuǎn)換器（如時(shí)鐘（a）和遲滯（b）型）比PWM轉(zhuǎn)換器噪聲更大，但具有極高的輕負(fù)載效率，因此在電池供電系統(tǒng)中很受歡迎。PFM 轉(zhuǎn)換器通過在輕負(fù)載時(shí)降低脈沖來降低開關(guān)損耗。PWM轉(zhuǎn)換器，例如（c）中的占空比控制電壓模式轉(zhuǎn)換器和（d）中的電流模式轉(zhuǎn)換器，通常以恒定頻率切換。

變頻PFM很流行，因?yàn)樗娱L了掛起和待機(jī)操作模式下的電池壽命。在輕負(fù)載下，PFM 系統(tǒng)通過以極低的頻率開關(guān)來最大限度地降低開關(guān)損耗。這些低頻導(dǎo)致開關(guān)噪聲下降到音頻頻段。這種低頻噪聲是不受歡迎的，因?yàn)榈皖l濾波器需要大而昂貴的LC元件。

此外，一些設(shè)計(jì)人員不喜歡PFM轉(zhuǎn)換器，因?yàn)檫@些轉(zhuǎn)換器的反饋環(huán)路本質(zhì)上是不穩(wěn)定的。這一點(diǎn)提出了一些有趣的考慮，例如穩(wěn)定性和噪聲之間的關(guān)系。您必須問不穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換器是否本質(zhì)上比穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換器更嘈雜。您還必須定義穩(wěn)定性。穩(wěn)定性的一些標(biāo)準(zhǔn)是增益/相位圖上的裕量為 50°，示波器可以輕松觸發(fā)的干凈且規(guī)則的開關(guān)波形，以及 V外當(dāng)您使電源電壓承受較大的線路和負(fù)載瞬變時(shí)，這不會(huì)超過允許的輸出容差。PFM或遲滯PWM穩(wěn)壓器可以滿足所有這些通用標(biāo)準(zhǔn)，但仍然不穩(wěn)定，但這種不穩(wěn)定性不一定是問題，除非在最苛刻的應(yīng)用中。

從最嚴(yán)格的意義上講，您必須將除頻域外在任何地方都穩(wěn)定的電源視為不穩(wěn)定。這種嚴(yán)格的穩(wěn)定性定義對(duì)音頻和RF設(shè)計(jì)人員非常有用，他們必須忍受電源操作的傳導(dǎo)和輻射副產(chǎn)品。這些副產(chǎn)物包括基波開關(guān)頻率倍數(shù)的噪聲諧波。例如，如果負(fù)載變化使PFM電源的可變開關(guān)頻率低于455kHz IF頻帶，則RF調(diào)制解調(diào)器設(shè)計(jì)人員會(huì)感到不滿。

PFM轉(zhuǎn)換器和其他不穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器的幅度和頻率通常比穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器噪聲更大。這種較高噪聲的原因取決于轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)和問題。例如，PFM轉(zhuǎn)換器在每個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)將固定量的電流釋放到輸出中。因此，即使在輕負(fù)載下，輸出電容也會(huì)受到大幅度電流脈沖的沖擊。通過添加另一個(gè)濾波電容，可以輕松消除產(chǎn)生的噪聲幅度，該幅度通常比PWM轉(zhuǎn)換器高25%至100%。另一方面，PWM轉(zhuǎn)換器不允許峰值電感電流接近限流閾值，除非存在過載或其他故障。相反，PWM轉(zhuǎn)換器的連續(xù)可變占空比導(dǎo)致峰值電流徘徊在與負(fù)載電流成比例的某個(gè)中間電平附近。

PFM在頻域上不如PWM。但是，您通?？梢赃x擇元件值，強(qiáng)制PFM轉(zhuǎn)換器在最小負(fù)載條件下高于音頻頻段工作（圖4）。例如，通過調(diào)整一次性定時(shí)電容來降低PFM穩(wěn)壓器的最大導(dǎo)通時(shí)間，可以提高最小開關(guān)頻率。這種方法的唯一缺點(diǎn)是，由于開關(guān)損耗較高，效率會(huì)略有下降。

圖4.重載時(shí)，MAX782電池供電的DC/DC轉(zhuǎn)換器工作在固定頻率PWM，噪聲集中在300kHz基波開關(guān)頻率和相關(guān)諧波（a）。在較輕負(fù)載時(shí)，電路自動(dòng)切換到PFM模式。然后，明智地選擇元件，使所有大于20mA （b）的負(fù)載的開關(guān)噪聲保持在50kHz以上。

輸出噪聲與頻率的關(guān)系

脈沖跳躍PFM穩(wěn)壓器產(chǎn)生的額外噪聲通常無關(guān)緊要，除非在要求苛刻的應(yīng)用中，例如緊湊包裝的蜂窩電話或18位立體聲適配器。筆記本電腦和其他以數(shù)字為主的系統(tǒng)對(duì)電源紋波具有很強(qiáng)的耐受性。此外，峰值電流在便攜式系統(tǒng)中典型的功率水平下是良性的，因此產(chǎn)生的噪聲很少令人頭疼。

從FCC/VDE認(rèn)證的角度來看，PFM穩(wěn)壓器的隨機(jī)可變頻譜優(yōu)于PWM穩(wěn)壓器的固定開關(guān)頻率。FCC 在指定頻段中查找高于特定水平的噪聲。固定頻率PWM轉(zhuǎn)換器在開關(guān)頻率及其諧波處產(chǎn)生噪聲峰值，但PFM轉(zhuǎn)換器的隨機(jī)噪聲通常會(huì)在更寬的頻率范圍內(nèi)傳播。

最近的電池供電型開關(guān)穩(wěn)壓器可用作固定頻率PWM轉(zhuǎn)換器或脈沖跳躍PFM轉(zhuǎn)換器，具體取決于負(fù)載電流。圖1中的IC5就是這樣一個(gè)例子，它將這一概念向前推進(jìn)了一步。該 IC 提供噪聲抑制控制輸入 SKIP，可覆蓋 PFM 和 PWM 模式之間的正常自動(dòng)切換。相反，SKIP 會(huì)強(qiáng)制固定頻率操作，而不考慮負(fù)載。因此，在激活噪聲敏感負(fù)載（如RF發(fā)射器）時(shí)，系統(tǒng)必須將SKIP拉低。

圖5.該電流模式PWM控制器IC具有兩個(gè)低噪聲特性：一個(gè)用于將內(nèi)部振蕩器與外部時(shí)鐘同步的輸入，以及一個(gè)模式控制輸入（SKIP），可以覆蓋PWM和PFM之間的正常自動(dòng)切換，從而即使在空載時(shí)也能強(qiáng)制固定頻率連續(xù)導(dǎo)通操作。

審核編輯：郭婷