發布日期：2022-04-28 點擊率：60
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作者： Yuan Tan
第一部分：輸出電壓噪聲
輸出電壓波形中除了開關頻率分量的紋波以外，還存在高頻噪聲分量，如圖1所示。高頻噪聲是如何形成的呢？主要是由電路中的寄生參數造成的。在實際電路中，PCB走線存在寄生電感和電阻，輸入輸出電容會引入寄生電感和電阻，兩個不同電位的平面之間會形成寄生電容。以Buck電路為例，上下管切換的瞬間，輸入回路中的寄生電感與開關管的輸出電容諧振。因此，開關節點SW在上升和下降沿會產生高頻振蕩，且寄生參數越大，振蕩的幅度也越大，甚至損壞開關管。該高頻振蕩會通過SW節點與輸出VOUT之間的寄生電容耦合到輸出電壓，也就是輸出電壓中的高頻噪聲。
圖1. Buck電路的寄生參數
第二部分：輸出電壓噪聲的抑制
了解高頻噪聲的來源和耦合途徑，可以幫助我們有針對性地抑制輸出電壓噪聲。下面分別介紹如何通過噪聲源和耦合途徑來抑制輸出電壓噪聲。
針對噪聲源，有如下幾種抑制方法：
PCB布板時盡量減小輸入高di/dt回路
Buck電路的輸入回路由輸入電容CIN, 上管HS和下管LS組成。 HS和LS的開關動作導致輸入環路電流的非連續性，引起SW電壓的振蕩。 輸入環路越大，振蕩越嚴重，開關管的電壓應力越大。將輸入電容盡可能靠近HS和LS，保證輸入環路盡最小，可有效降低開關節點SW的振蕩，如圖2所示。
圖2. 輸入電容位置對輸出電壓噪聲的影響
使用TI HotRod 封裝產品
HotRod 封裝技術將芯片內部的die倒置，通過銅柱直接連接die 和lead frame，消除了使用wire bond引入的寄生電感，減小SW節點的振蕩，例如LMR33630。另外，如圖4所示，HotRod封裝有兩個電源VIN引腳和兩個接地GND引腳，分別位于封裝的兩端。這種引腳分配可以減少VIN和GND回路造成的寄生環路電感。如果在器件的兩邊都有對稱布局的輸入電容，等效寄生回路電感則會減半（兩個相等的并聯電感）。這可以有效地減少高的di/dt 產生的噪聲，相當于高頻濾波。
圖3. TI Hotrod 封裝技術
圖4. LMR33630 對稱輸入降低
使用TI電源模塊產品
由于Layout的限制，輸入電容無法無限靠近Buck 芯片。TI的電源模塊產品集成高頻輸入電容和電感，進一步減小輸入回路和SW節點的面積，降低噪聲，如圖5所示。
圖5. TI電源模塊產品
針對耦合途徑，有如下幾種抑制方法：
選擇寄生電容較小的電感
理想電感對高頻噪聲呈現很大的阻抗，因此輸出電壓中的噪聲很小。但是，實際電感存在寄生電容，噪聲會通過耦合電容，耦合到輸出電壓。因此，選擇耦合電容較小的電感，在一定程度上可抑制輸出電壓噪聲。
圖6.噪聲耦合途徑
并聯高頻濾波電容
直觀地理解，輸出電壓噪聲等于SW噪聲在輸出電容阻抗和輸出電感阻抗的分壓。也就是說，輸出電容在噪聲頻率處的阻抗越小，耦合到輸出的噪聲就越小。但是，多個電容并聯后，輸出電容的阻抗曲線會存在多個諧振點。如圖7所示，增加高頻電容后，在諧振點處，阻抗最小; 諧振點之前，阻抗變大; 諧振點之后，阻抗變小。因此，并非增加高頻電容就一定能減小輸出噪聲。噪聲頻率位于諧振點處，輸出噪聲最小。如圖8所示，增加220pF的電容，電壓噪聲反而增加了。因此，選擇合適的輸出電容至關重要。
圖7.輸出并聯高頻濾波電容的阻抗特性
圖8. 不同電容對輸出電壓噪聲的影響
綜上所述，理解輸出電壓噪聲的形成原理，根據實際應用要求，選擇先進的封裝技術/電源模塊產品、優化PCB布局、增加濾波電容可有效降低輸出電壓噪聲，滿足應用需求。
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