如何深入分析電源電路技巧（二）：駕馭噪聲電

隨著現(xiàn)在對更高效、更低成本電源解決方案需求的強(qiáng)調(diào)，電子發(fā)燒友網(wǎng)整合《如何深入分析電源電路》系列文章，就各種電源管理課題提出一些對您有幫助的小技巧。該專欄面向各級設(shè)計(jì)工程師。無論您是從事電源業(yè)務(wù)多年還是剛剛步入電源領(lǐng)域，您都可以在這里找到一些極其有用的信息，以幫助您迎接下一個(gè)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

本文主要介紹為您的電源選擇正確的工作頻率；如何駕馭噪聲電源；阻尼輸入濾波器；降壓-升壓電源設(shè)計(jì)中降壓控制器的使用。

　　1：為您的電源選擇正確的工作頻率

　　為您的電源選擇最佳的工作頻率是一個(gè)復(fù)雜的權(quán)衡過程，其中包括尺寸、效率以及成本。通常來說，低頻率設(shè)計(jì)往往是最為高效的，但是其尺寸最大且成本也最高。雖然調(diào)高頻率可以縮小尺寸并降低成本，但會增加電路損耗。接下來，我們使用一款簡單的降壓電源來描述這些權(quán)衡過程。

　　我們以濾波器組件作為開始。這些組件占據(jù)了電源體積的大部分，同時(shí)濾波器的尺寸同工作頻率成反比關(guān)系。另一方面，每一次開關(guān)轉(zhuǎn)換都會伴有能量損耗；工作頻率越高，開關(guān)損耗就越高，同時(shí)效率也就越低。其次，較高的頻率運(yùn)行通常意味著可以使用較小的組件值。因此，更高頻率運(yùn)行能夠帶來極大的成本節(jié)約。

　　圖 1 顯示的是降壓電源頻率與體積的關(guān)系。頻率為 100 kHz 時(shí)，電感占據(jù)了電源體積的大部分（深藍(lán)色區(qū)域）。如果我們假設(shè)電感體積與其能量相關(guān)，那么其體積縮小將與頻率成正比例關(guān)系。由于某種頻率下電感的磁芯損耗會極大增高并限制尺寸的進(jìn)一步縮小，因此在此情況下上述假設(shè)就不容樂觀了。如果該設(shè)計(jì)使用陶瓷電容，那么輸出電容體積（褐色區(qū)域）便會隨頻率縮小，即所需電容降低。另一方面，之所以通常會選用輸入電容，是因?yàn)槠渚哂屑y波電流額定值。該額定值不會隨頻率而明顯變化，因此其體積（黃色區(qū)域）往往可以保持恒定。另外，電源的半導(dǎo)體部分不會隨頻率而變化。這樣，由于低頻開關(guān)，無源器件會占據(jù)電源體積的大部分。當(dāng)我們轉(zhuǎn)到高工作頻率時(shí)，半導(dǎo)體（即半導(dǎo)體體積，淡藍(lán)色區(qū)域）開始占據(jù)較大的空間比例。

　　圖1 ：電源組件體積主要由半導(dǎo)體占據(jù)。

　　該曲線圖顯示半導(dǎo)體體積本質(zhì)上并未隨頻率而變化，而這一關(guān)系可能過于簡單化。與半導(dǎo)體相關(guān)的損耗主要有兩類：傳導(dǎo)損耗和開關(guān)損耗。同步降壓轉(zhuǎn)換器中的傳導(dǎo)損耗與 MOSFET 的裸片面積成反比關(guān)系。MOSFET 面積越大，其電阻和傳導(dǎo)損耗就越低。

　　開關(guān)損耗與 MOSFET 開關(guān)的速度以及 MOSFET 具有多少輸入和輸出電容有關(guān)。這些都與器件尺寸的大小相關(guān)。大體積器件具有較慢的開關(guān)速度以及更多的電容。圖 2 顯示了兩種不同工作頻率 （F） 的關(guān)系。傳導(dǎo)損耗 （Pcon）與工作頻率無關(guān)，而開關(guān)損耗 （Psw F1 和 Psw F2） 與工作頻率成正比例關(guān)系。因此更高的工作頻率 （Psw F2） 會產(chǎn)生更高的開關(guān)損耗。當(dāng)開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗相等時(shí)，每種工作頻率的總損耗最低。另外，隨著工作頻率提高，總損耗將更高。

　　但是，在更高的工作頻率下，最佳裸片面積較小，從而帶來成本節(jié)約。實(shí)際上，在低頻率下，通過調(diào)整裸片面積來最小化損耗會帶來極高成本的設(shè)計(jì)。但是，轉(zhuǎn)到更高工作頻率后，我們就可以優(yōu)化裸片面積來降低損耗，從而縮小電源的半導(dǎo)體體積。這樣做的缺點(diǎn)是，如果我們不改進(jìn)半導(dǎo)體技術(shù)，那么電源效率將會降低。

　　圖2 ：提高工作頻率會導(dǎo)致更高的總體損耗。

　　如前所述，更高的工作頻率可縮小電感體積；所需的內(nèi)層芯板會減少。更高頻率還可降低對于輸出電容的要求。有了陶瓷電容，我們就可以使用更低的電容值或更少的電容。這有助于縮小半導(dǎo)體裸片面積，進(jìn)而降低成本。

2：駕馭噪聲電源

　　無噪聲電源并非是偶然設(shè)計(jì)出來的。一種好的電源布局是在設(shè)計(jì)時(shí)最大程度的縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間?；ㄙM(fèi)數(shù)分鐘甚至是數(shù)小時(shí)的時(shí)間來仔細(xì)查看電源布局，便可以省去數(shù)天的故障排查時(shí)間。

　　圖 1 顯示的是電源內(nèi)部一些主要噪聲敏感型電路的結(jié)構(gòu)圖。將輸出電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較以生成一個(gè)誤差信號，然后再將該信號與一個(gè)斜坡相比較，以生成一個(gè)用于驅(qū)動功率級的 PWM（脈寬調(diào)制）信號。

　　電源噪聲主要來自三個(gè)地方：誤差放大器輸入與輸出、參考電壓以及斜坡。對這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精心的電氣設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)有助于最大程度地縮短故障診斷時(shí)間。一般而言，噪聲會與這些低電平電路電容耦合。一種卓越的設(shè)計(jì)可以確保這些低電平電路的緊密布局，并遠(yuǎn)離所有開關(guān)波形。接地層也具有屏蔽作用。

　　圖1 ：低電平控制電路的諸多噪聲形成機(jī)會。

　　誤差放大器輸入端可能是電源中最為敏感的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槠渫ǔ＞哂凶疃嗟倪B接組件。如果將其與該級的極高增益和高阻抗相結(jié)合，后患無窮。在布局過程中，您必須最小化節(jié)點(diǎn)長度，并盡可能近地將反饋和輸入組件靠近誤差放大器放置。如果反饋網(wǎng)絡(luò)中存在高頻積分電容，那么您必須將其靠近放大器放置，其他反饋組件緊跟其后。并且，串聯(lián)電阻-電容也可能形成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。最理想的結(jié)果是，將電阻靠近誤差放大器輸入端放置，這樣，如果高頻信號注入該電阻-電容節(jié)點(diǎn)時(shí)，那么該高頻信號就不得不承受較高的電阻阻抗—而電容對高頻信號的阻抗則很小。

　　斜坡是另一個(gè)潛在的會帶來噪聲問題的地方。斜坡通常由電容器充電（電壓模式）生成，或由來自于電源開關(guān)電流的采樣（電流模式）生成。通常，電壓模式斜坡并不是一個(gè)問題，因?yàn)殡娙輰Ω哳l注入信號的阻抗很小。而電流斜坡卻較為棘手，因?yàn)榇嬖诹松仙呇胤逯?、相對較小的斜坡振幅以及功率級寄生效應(yīng)。

　　圖 2 顯示了電流斜坡存在的一些問題。第一幅圖顯示了上升邊沿峰值和隨后產(chǎn)生的電流斜坡。比較器（根據(jù)其不同速度）具有兩個(gè)電壓結(jié)點(diǎn) （potential trip points），結(jié)果是無序控制運(yùn)行，聽起來更像是煎熏肉的聲音。

　　利用控制 IC 中的上升邊沿消隱可以很好地解決這一問題，其忽略了電流波形的最初部分。波形的高頻濾波也有助于解決該問題。同樣也要將電容器盡可能近地靠近控制 IC 放置。正如這兩種波形表現(xiàn)出來的那樣，另一種常見的問題是次諧波振蕩。這種寬－窄驅(qū)動波形表現(xiàn)為非充分斜率補(bǔ)償。向當(dāng)前斜坡增加更多的電壓斜坡便可以解決該問題。

　　盡管您已經(jīng)相當(dāng)仔細(xì)地設(shè)計(jì)了電源布局，但是您的原型電源還是存在噪聲。這該怎么辦呢？首先，您要確定消除不穩(wěn)定因素的環(huán)路響應(yīng)不存在問題。有趣的是，噪聲問題可能會看起來像是電源交叉頻率上的不穩(wěn)定。但真正的情況是該環(huán)路正以其最快響應(yīng)速度糾出注入誤差。同樣，最佳方法是識別出噪聲正被注入下列三個(gè)地方之一：誤差放大器、參考電壓或斜坡。您只需分步解決便可！

　　第一步是檢查節(jié)點(diǎn)，看斜坡中是否存在明顯的非線性，或者誤差放大器輸出中是否存在高頻率變化。如果檢查后沒有發(fā)現(xiàn)任何問題，那么就將誤差放大器從電路中取出，并用一個(gè)清潔的電壓源加以代替。這樣您應(yīng)該就能夠改變該電壓源的輸出，以平穩(wěn)地改變電源輸出。如果這樣做奏效的話，那么您就已經(jīng)將問題范圍縮小至參考電壓和誤差放大器了。

　　有時(shí)，控制 IC 中的參考電壓易受開關(guān)波形的影響。利用添加更多（或適當(dāng)）的旁路可能會使這種狀況得到改善。另外，使用柵極驅(qū)動電阻來減緩開關(guān)波形也可能會有助于解決這一問題。如果問題出在誤差放大器上，那么降低補(bǔ)償組件阻抗會有所幫助，因?yàn)檫@樣降低了注入信號的振幅。如果所有這些方法都不奏效，那么就從印刷電路板將誤差放大器節(jié)點(diǎn)去除。對補(bǔ)償組件進(jìn)行架空布線 （air wiring） 可以幫助我們識別出哪里有問題。

3：阻尼輸入濾波器

　　開關(guān)調(diào)節(jié)器通常優(yōu)于線性調(diào)節(jié)器，因?yàn)樗鼈兏咝?，而開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則十分依賴輸入濾波器。這種電路元件與電源的典型負(fù)動態(tài)阻抗相結(jié)合，可以誘發(fā)振蕩問題。本文將闡述如何避免此類問題的出現(xiàn)。

　　一般而言，所有的電源都在一個(gè)給定輸入范圍保持其效率。因此，輸入功率或多或少地與輸入電壓水平保持恒定。圖 1 顯示的是一個(gè)開關(guān)電源的特征。隨著電壓的下降，電流不斷上升。

　　圖 1 開關(guān)電源表現(xiàn)出的負(fù)阻抗

　　負(fù)輸入阻抗

　　電壓-電流線呈現(xiàn)出一定的斜率，其從本質(zhì)上定義了電源的動態(tài)阻抗。這根線的斜率等于負(fù)輸入電壓除以輸入電流。也就是說，由 Pin = V • I，可以得出 V = Pin/I；并由此可得 dV/dI = –Pin/I2 或 dV/dI ≈ –V/I。

　　該近似值有些過于簡單，因?yàn)榭刂骗h(huán)路影響了輸入阻抗的頻率響應(yīng)。但是很多時(shí)候，當(dāng)涉及電流模式控制時(shí)這種簡單近似值就已足夠了。

為什么需要輸入濾波器

　　開關(guān)調(diào)節(jié)器輸入電流為非連續(xù)電流，并且在輸入電流得不到濾波的情況下其會中斷系統(tǒng)的運(yùn)行。大多數(shù)電源系統(tǒng)都集成了一個(gè)如圖 2 所示類型的濾波器。電容為功率級的開關(guān)電流提供了一個(gè)低阻抗，而電感則為電容上的紋波電壓提供了一個(gè)高阻抗。該濾波器的高阻抗使流入源極的開關(guān)電流最小化。在低頻率時(shí)，該濾波器的源極阻抗等于電感阻抗。在您升高頻率的同時(shí)，電感阻抗也隨之增加。在極高頻率時(shí)，輸出電容分流阻抗。在中間頻率時(shí)，電感和電容實(shí)質(zhì)上就形成了一種并聯(lián)諧振電路，從而使電源阻抗變高，呈現(xiàn)出較高的電阻。

　　大多數(shù)情況下，峰值電源阻抗可以通過首先確定濾波器 （Zo） 的特性阻抗來估算得出，而濾波器特性阻抗等于電感除以電容所得值的平方根。這就是諧振下電感或者電容的阻抗。

　　接下來，對電容的等效串聯(lián)電阻 （ESR） 和電感的電阻求和。這樣便得到電路的 Q 值。峰值電源阻抗大約等于 Zo 乘以電路的 Q 值。