如何深入分析電源電路技巧: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。該專欄面向各級設計工程師。無論您是從事電源業(yè)務多年還是剛剛步入電源領域，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設計挑戰(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-升壓電源設計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復雜的權(quán)衡過程，其中包括尺寸、效率以及成本。通常來說，低頻率設計往往是最為高效的，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，同時效率也就越低。其次，較高的頻率運行通常意味著可以使用較小的組件值。因此，更高頻率運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，電感占據(jù)了電源體積的大部分（深藍色區(qū)域）。如果我們假設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一步縮小，因此在此情況下上述假設就不容樂觀了。如果該設計使用陶瓷電容，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，是因為其具有紋波電流額定值。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。當我們轉(zhuǎn)到高工作頻率時，半導體（即半導體體積，淡藍色區(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體占據(jù)。

　　該曲線圖顯示半導體體積本質(zhì)上并未隨頻率而變化，而這一關(guān)系可能過于簡單化。與半導體相關(guān)的損耗主要有兩類：傳導損耗和開關(guān)損耗。同步降壓轉(zhuǎn)換器中的傳導損耗與 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。當開關(guān)損耗和傳導損耗相等時，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計。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體體積。這樣做的缺點是，如果我們不改進半導體技術(shù)，那么電源效率將會降低。

　　圖2 ：提高工作頻率會導致更高的總體損耗。

　　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。這有助于縮小半導體裸片面積，進而降低成本。

2：駕馭噪聲電源

　　無噪聲電源并非是偶然設計出來的。一種好的電源布局是在設計時最大程度的縮短實驗時間?；ㄙM數(shù)分鐘甚至是數(shù)小時的時間來仔細查看電源布局，便可以省去數(shù)天的故障排查時間。

　　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。將輸出電壓與一個參考電壓進行比較以生成一個誤差信號，然后再將該信號與一個斜坡相比較，以生成一個用于驅(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)點進行精心的電氣設計和物理設計有助于最大程度地縮短故障診斷時間。一般而言，噪聲會與這些低電平電路電容耦合。一種卓越的設計可以確保這些低電平電路的緊密布局，并遠離所有開關(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會。

　　誤差放大器輸入端可能是電源中最為敏感的節(jié)點，因為其通常具有最多的連接組件。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-電容也可能形成補償網(wǎng)絡。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)點時，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問題，因為電容對高頻注入信號的阻抗很小。而電流斜坡卻較為棘手，因為存在了上升邊沿峰值、相對較小的斜坡振幅以及功率級寄生效應。

　　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）具有兩個電壓結(jié)點 （potential trip points），結(jié)果是無序控制運行，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)為非充分斜率補償。向當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)相當仔細地設計了電源布局，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，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，并用一個清潔的電壓源加以代替。這樣您應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，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）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，那么降低補償組件阻抗會有所幫助，因為這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)點去除。對補償組件進行架空布線 （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，因為它們更高效，而開關(guān)拓撲結(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動態(tài)阻