解决开关模式DC-DC转换器的噪声和空间问题的PowerSoC

引言

转换效率促使FPGA系统设计师从线性稳压器转向使用开关模式直流-直流转换器。虽然开关模式直流-直流转换器能够显著提高效率，但却需要更复杂的结构设计，更多的部件数量和更大的覆盖区；更为明显的是，对高速输入/输出单元来说，开关模式直流-直流转换器就等于噪声源。

本文描述了开关模式直流-直流转换器的各种噪声分量，同时说明PowerSoC如何将各分量降至最低。本文也进一步用设计示例来说明PowerSoC如何令高速输入/输出单元具有与线性稳压器媲美，甚至更优越的性能。

降压型直流-直流转换器简单模型

一对MOSFET开关、电感器，以及输入和输出滤波电容即可组成一个简易的同步开关模式直流-直流转换器模型。图1为转换周期中的转换器及其相关的直流和交流电流通路。当SW1 闭合时（SW2开启），电流从电源流经电感器到达负载，输入和输出滤波电容实现高频交流电流的“分流”。当SW2闭合时（SW1开启），电感器储存的电能在转换周期的后半段为负载提供电流。开启和闭合开关的动作以及高频交流电流的流动都会产生噪声。


图1：同步降压型直流-直流转换器简化模型之完整转换周期。红色实线表示“直流”电流的流动方向，而红色虚线表示高频交流电流的流动方向。

直流-直流噪声关键分量和降噪策略

降压型直流-直流转换器有效地将直流电压“分成”交流电压，然后转换回到伪直流电压。此过程产生了四种不同的噪声：1) 转换器直流输出侧的纹波电压，2) 转换器输入电源侧的纹波电压，3) 辐射性电磁干扰，和4)传导性电磁干扰。

输出电压纹波

每个被动元件除了本身的基本功能（电阻、电容、电感）外，还具有另外两个寄生元素：如果是电容，即为等效串联电阻 (ESR) 和等效串联电感 (ESL)；如果是电阻，则是等效串联电感和等效并联电容。

输出纹波是交流纹波电流分流或流经输出滤波电容时的副产物。图2展示了小型的输出滤波电容信号模型，和该模型各成分对输出纹波波形的作用。请注意输出滤波电容的ESL是由PCB引线的寄生电感和转换器的内部寄生电感结合形成。ESL通过感应“振动”产生高频尖峰信号。


图2：输出电压纹波分量和来源

大多数直流-直流转换器供应商的数据表显示了低通滤波纹波的波形，因此通常无法稳定指示给定应用情况中PCB上测量得到的实际纹波。

降噪策略

基本而言，要降低输出纹波可通过减小纹波电流和 / 或降低电容器 的ESR和ESL以及PCB引线的ESL。

●在开关频率较高的一侧操作将降低给定电感值的纹波电流，从而可以使用较小且ESR/ESL较低的陶瓷电容。但开关频率的升高会增加MOSFET开关的开关损耗，并影响效率。

●将多个电容并联可降低ESR/ESL，就如将电阻并联以降低其合成电阻一样。随着电容个数增加，PCB ESL增加，其效果受到限制，并且将增加转换器的消耗。

●使用小尺寸的滤波元件（电感器和电容）可以减少PCB的长度，从而降低PCB ESL。可惜小尺寸的电感器通常会导致纹波电流较大，但不增加开关频率。

●使用两级滤波，例如在直流-直流输出滤波段和目标负载之间使用铁氧体磁珠和电容。这种方法的缺点在于额外的致损耗元件将影响调压效果，并可能降低效率。

输入电压纹波

随着SW1 MOSFET打开和闭合，电流从电源（VIN）流出，形成近似矩形的脉冲波形。上升和下降时间非常快，大约几毫微秒。

与由输出滤波电容和PCB引线ESL产生的输出纹波相似，输入滤波电容ESR和ESL，以及电源PCB引线ESL产生输入纹波。然而，随着电流时间比(di/dt)的变化增大，输入电流纹波幅度要大的多。因此，PCB电感的影响更为重要，而输入滤波电容必须耐受更高的RMS电流。又大又快的开关电流也是传导性和辐射性EMI（稍后将探讨）的主要来源。

降噪策略

●与输出滤波电容一样，在开关频率较高的一侧操作将可以使用较小且ESR/ESL较低的陶瓷输入滤波电容。同样应注意开关损耗将变大。

●将输入滤波回路中的寄生电感降至最低。这主要通过将滤波电容尽可能靠近直流-直流转换器，以及尽可能短且宽的PCB引线来实现。通常不得将输入滤波电容安装在PCB的对边且通过vias与直流-直流转换器连接，否则会将大量电感引入电流回路中。

辐射性EMI

●又大又快的开关电流流经输入交流电流回路会产生辐射性EMI。如电磁场课程所述，环形天线的辐射效率是回路半径相对于辐射波长的函数。



●公式1列出了环形天线辐射产生的功率与半径r和波长λ的关系；h是自由空间常数。请注意回路半径存在r8关系，而波长存在λ4的关系。因此，在频率较高的一侧操作的显著优点是可使用较小尺寸的元件，以缩小输入电流回路半径。