关于开关电源噪声控制方案介绍

谈到“开关电源”，最先产生的两个本能反应就是“高效”和“嘈杂”这两个术语。相反，比如说“LDO”（低压差稳压器），所使用的却是“低效”和“安静”这两个相反的描述性术语。不可否认，这些套话不假，但是对待起来却要小心确认：与大多数套话一样，在某些条件和情况下也有例外。图1：TPS62840的STOP模式工作――蓝色是STOP引脚的输入信号，紫红色是输出电压，绿色是电感器电流，所有这些都是在（a）PFM工作和（b）强制PWM在Vin=3.6V、Vout=1.8V和Iout=10mA条件下测量得到的。测量结果包括Cout=10μF。（图片来源：德州仪器）对RF前端来说，需要低噪声时其占空比应为100%，因此在由嘈杂的开关电源供电的拓扑中使用一个本地LDO，可能就是明智之举。此外，为防止引入噪声，该前端的导轨可能需要滤波，以及仔细的PCB走线布局或分离的电源线布线。相反，对精确的A/D转换来说，仅在转换周期本身期间才需要干净的电源，因此就是间歇性的，并且通常更新速率固定。不管转换是“按需”完成还是正式和定期进行，多年来一直使用的一种方法是在转换周期内关闭开关电源，而使转换电路“依靠”电容器提供的无噪声电源工作。这当然是可行的，但需要对转换器的功率需求和转换周期长度进行可靠的分析，才能正确确定电容器的尺寸。有一些IC可以简化这种方法的实现。例如，德州仪器（TI）TPS62840是一款1.8V至6.5Vin的高效750mA降压开关电源IC，它有一个封装引脚可以控制“停止”（stop）功能，从而可以在消除开关噪声的同时允许电容器提供所需的功率（图1）。它不能提供大量电流，但是对预期的用途来说却很好。TI最近在其博文“AdvantagesoftheSTOPfunctionforlow-noisedata-acquisitionapplications”中对此进行了进一步的讨论。显然，这是一种有吸引力的解决方案，但是在与转换有关的软件中也需要小心。在电容器电压下降影响工作之前的所有时间范围内，必须停止开关电源，启动并完成转换，并重新启动开关功能。同样重要的是，为了确保潜在的bug或高优先级中断不会使stop或un-stop指令受到延迟，需要对软件进行适当的制定和测试。如果发生这种情况，则噪声或其他难以再现的数据可能会导致转换误差，尤其是在该问题是间歇性的情况下如此。实际上，可以通过给软件增加另一负荷来消除噪声。不然，可能就必须采用某种基于硬件的分立式定时器电路（不，价格低廉的555类定时器在这里可能不适用）。图2：LT8614和更嘈杂的LT8610的辐射发射与CISPR25B类辐射极限的比较。（图片来源：ADI）另一种方法是使用非常安静的开关稳压器，例如ADI公司的LT8614“SilentSwitcher”。这款42V、4A同步降压开关电源IC可以轻松超过严格的CISPR25辐射标准（图2），此外它对于直流电源轨本身还具有低于10mVP-P、独立于负载电流的低噪声特性。设计人员必须了解转换过程中所发生的不期望噪声中有多少是从DC/DC开关电源辐射出来的，以及直流输出轨上的纹波有多少是由噪声引起的。这些ADI公司“SilentSwitcher”的噪声衰减还有一点也很有趣，但并不令人惊讶，那就是它们如何代表了试图“竭力维持”最后一点性能改进的现实。在大多数情况下，不存在单独的“灵丹妙药”可以猛地一下使噪声大幅降低。取而代之的是，如AnalogueDialogue文章“SilentSwitcherDevicesAreQuietandSimple”和LTJournal文章“SilentSwitcherMeetsCISPRClass5RadiatedEmissionsWhileMaintainingHighConversionEfficiency”所述，更有可能是系统性地研究每个已知和可能尚未了解的噪声源，而设法将其消除。当然，这种减少误差源的方法并不新鲜。已故的模拟设计天才JimWilliams1976年在EDN发表的首批文章中的一篇“This30-ppmscaleprovesthatanalogdesignsaren’tdeadyet”就是一个极好的解释。他的秤设计用于满足一些非常激进的目标：它必须轻便，成本低，能在300.00的满量程范围中分辨0.01磅（即30ppm），永远不需要校准或调整，并且具有0.02%以内的绝对精度。为了实现这一目标，他研究了第一、第二甚至第三阶误差源，并使用各种策略有条不紊地解决了它们。尽管这篇文章已经很老（已有将近50年！），元器件和技术发生了许多变化，但它所提供的基础经验仍然有效。您是否曾经遇到过必须应对嘈杂的直流电源轨，或工作环境不达标，而无法进行精确的A/D转换和测量的情况？您是怎么处理的呢？是否有那么一步，借此就可以解决大多数或所有的问题，还是您必须使用分层的方法？原文刊登于EDN姊妹网站EETimes美国版。