降壓調(diào)節(jié)器中無源濾波器的設(shè)計(jì)理念
發(fā)布時(shí)間:2021-04-02 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】與傳統(tǒng)低壓差(LDO)穩(wěn)壓器相比,開關(guān)電源(SMPS)的高效優(yōu)勢顯而易見。但也因其開關(guān)特性,開關(guān)電源在開關(guān)頻率和諧波處會(huì)產(chǎn)生噪聲。本文闡述了如何利用濾波器實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源超低輸出電壓噪聲。應(yīng)用低ESR陶瓷電容的單級(jí)電容濾波器廣泛用于輸出電壓紋波大于1-2mV的應(yīng)用。對于像RF ADC和DAC這樣的應(yīng)用,其紋波要求小于1mV,則需使用兩級(jí) LC 濾波器來有效過濾開關(guān)噪聲。
單級(jí)濾波器設(shè)計(jì)
同步降壓變換器由輸入電容器CIN、兩個(gè)開關(guān)(S1和S2)及其體二極管、儲(chǔ)能電感(L)和輸出電容器(COUT)組成。當(dāng)S1接通,S2斷開時(shí),輸入源向功率電感(L)和負(fù)載提供電流,此時(shí),電感電流上升。當(dāng)S2接通而S1斷開時(shí),電感器中存儲(chǔ)的能量被轉(zhuǎn)至輸出電容器和負(fù)載,導(dǎo)致電感器電流下降。降壓調(diào)節(jié)器的開關(guān)行為導(dǎo)致輸出電壓波動(dòng)。此時(shí),應(yīng)在輸出端放置一個(gè)輸出電容器(Cout),以便在穩(wěn)態(tài)時(shí)平滑輸出電壓。輸出電容器通過為高頻電壓分量提供低阻抗路徑,將高頻紋波反射回接地,從而降低輸出電壓紋波。
圖1:同步降壓調(diào)節(jié)器的連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)
接著,假設(shè)Buck降壓變換器采用連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM),以最大限度地降低輸出電壓紋波。L電感值也滿足電感器的電流紋波要求,其最小值可通過以下公式計(jì)算得出:
(1)
其中,VIN 和 VOUT 分別代表輸入和輸出電壓, 代表占空比,IL,p--p 代表電感的峰-峰電流紋波,fSW代表變換器的開關(guān)頻率。通常,峰-峰電感電流紋波可設(shè)置為輸出DC電流的20-40%。
輸出電容值應(yīng)能確保其輸出紋波低于應(yīng)用需要的峰-峰紋波值。對于單級(jí)電容濾波器,其最小輸出電壓紋波可達(dá)1~2 mV。
在穩(wěn)態(tài)下的一個(gè)開關(guān)周期內(nèi),向電容器輸送的凈電荷為零。圖1陰影區(qū)的電容電荷可通過以下公式計(jì)算得出:
(2)
其中T為開關(guān)切換周期。根據(jù)定義,給定周期內(nèi)的電容電荷也可表示為:
(3)
公式(2)代入公式(3),得到輸出峰-峰電壓紋波(VOUT,p--p)所需的最小電容為:
(4)
理想情況下,并聯(lián)更多的輸出電容可以降低對地的高頻阻抗,從而減小輸出紋波。而實(shí)際上,輸出電容器是橫放在印刷電路板上的,如果在印刷電路板上增加更多的輸出電容,會(huì)給并聯(lián)電路增加額外的寄生電感和交流電阻,增加輸出電容的效果會(huì)逐漸降低。
如圖2所示的典型PCB布局,MPS電源模塊通過集成電感,可大大簡化電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。在MPM3833C的PCB布局中,為輸出功率路徑進(jìn)行了大面積鋪銅,這能最大限度地降低功率損耗。輸出電容器也是沿著輸出電流路徑放置的。如圖所示,隨著放置在輸出平面上的電容器越來越多,附加電容器與電源模塊輸出引腳之間的距離也變得越來越大。因此,在離電源模塊較遠(yuǎn)的輸出電容中,會(huì)產(chǎn)生更多的寄生電感。增加輸出電容的效果變得越來越差,最終遠(yuǎn)端電容的高頻對地回路以寄生電感為主。
圖2:MPM3833C電源模塊典型PCB布局
為演示回路寄生電感的影響,這里使用Simplis設(shè)計(jì)出了具有不同輸出電容的MPM3833C,并假設(shè)每個(gè)增加的輸出電容向回路引入0.5nH的寄生電感。圖3展示了帶有一個(gè)22µF電容器的電源模塊輸出紋波??梢钥闯?,輸出電容器的確有效地降低了輸出紋波:在5V輸入,1.2V 輸出和2A 負(fù)載時(shí),輸出紋波降至約為3mV。
圖3:帶一個(gè)22µF輸出電容的MPM3833C所產(chǎn)生的輸出紋波
為了進(jìn)一步降低輸出電壓紋波,可以在輸出端再增加一個(gè)22µF的輸出電容。由于新增的電容器必須放置在離電源模塊更遠(yuǎn)的地方,因此新增電容器所引入的寄生電感為1nH。圖4a給出了仿真輸出電壓波形圖,其中輸出電壓紋波已降到2mV。與圖3所示的波形圖相比,增加一個(gè)22μF輸出電容器可將輸出電壓紋波有效降至3mV,而再增加一個(gè) 22μF電容器的效果其實(shí)并不明顯。圖4b顯示了多一個(gè)22μF電容器后(總共4x22μF)的輸出電壓紋波。最后一個(gè)22µF 電容器在其高頻對地回路中引入的寄生電感為1.5nH。如圖所示,與使用3x22µF的情況相比,多增加一個(gè)電容器后輸出紋波降低度小于5%。
圖4:MPM3833C 輸出電壓紋波對比圖
從圖3和圖4的演示可知,PCB上添加的電容器越多,PCB鋪銅/走線所產(chǎn)生的寄生電感就越多。最終,增加更多電容器的作用被回路中不斷增加的附加寄生電感所抵消。
第二級(jí)濾波器設(shè)計(jì)
通常,并聯(lián)輸出電容器能將輸出電壓紋波有效降低到最低1-2mV。要實(shí)現(xiàn)低于1mV的紋波,需要一個(gè)第二級(jí)輸出濾波器。圖5展示了第二寄濾波器的典型電路。第二級(jí)濾波器由一個(gè)濾波電感及其串聯(lián)電阻(DCR)、一個(gè)對地電容器支路和一個(gè)阻尼支路組成。濾波電感(Lf)在設(shè)計(jì)的高頻范圍內(nèi)具有電阻,以熱量的形式耗散噪聲能量。該電感器與附加的并聯(lián)電容器結(jié)合形成低通LC濾波器網(wǎng)絡(luò)。
圖5:帶并聯(lián)阻尼支路的兩級(jí)LC濾波器
合理設(shè)計(jì)的第二級(jí)濾波器會(huì)有效降低輸出電壓噪聲。針對工作頻率來選擇LC濾波器組件至關(guān)重要。設(shè)計(jì)的第一步是根據(jù)公式(4)選擇第一級(jí)輸出電容器。在第一極的設(shè)計(jì)中,典型的輸出電壓紋波一般為5mV至10mV。所以,通常選用10-22μF電容器就足夠了。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,第一級(jí)的電容容量(COUT)必須小于第二級(jí)的旁路電容(C1)。
一旦確定了第一級(jí)電容器并給出了規(guī)定的輸出電壓紋波(在給定頻率下),第二級(jí)LC濾波器所需的衰減可確定為:
(5)
其中,V1,p--p 代表輸出電容器的峰-峰電壓紋波,Vo,p--p代表輸出電壓的峰-峰電壓(在第二級(jí)濾波器之后)。
使用相量分析,LC濾波器增益的振幅可通過以下公式計(jì)算:
(6)
阻尼支路(由一個(gè)大型電阻和電容串聯(lián)組成)的阻抗在開關(guān)頻率下比對地支路大得多。因此,在下面的分析中,圖5所示的濾波器可等效于一個(gè)二階RLC濾波器。
濾波器的截止頻率為:
(7)
通常,可以選擇電感值為0.22µH到1µH的電感器來實(shí)現(xiàn)所需的輸出紋波。此濾波電感的并聯(lián)阻抗會(huì)增加功耗并降低了輸出電壓的精度,因此應(yīng)選擇DCR最小的電感。需要注意的是,隨著直流電流的增大,電感的磁芯材料會(huì)逐漸飽和,從而也會(huì)降低電感的電感值。應(yīng)確保額定直流電流下的電感值足夠高。
一旦選擇了濾波電感器,就可以從數(shù)據(jù)表中提取其DCR。第二級(jí)LC濾波器是一個(gè)二階濾波器,在截止頻率之后每十檔衰減40db。給定頻率下的衰減可根據(jù)以下公式估算出:
(8)
根據(jù)公式(5)計(jì)算出的衰減,可使用以下公式計(jì)算出所需的截止頻率:
(9)
然后,可計(jì)算出所需的對地支路的電容值(C1):
(10)
由于低ESR和ESL,應(yīng)使用陶瓷電容器作為旁路電容器。需注意,在直流偏壓下,陶瓷電容器的電容會(huì)發(fā)生顯著降額。圖6給出了額定電壓為6.3V的Murata 0805陶瓷電容器的直流降額曲線。如圖所示,在滿額直流偏壓下,電容降到額定值的20%。旁路電容器應(yīng)在額定直流偏壓下選擇,以便考慮降額值。
圖6:DC偏置下的典型陶瓷電容降額曲線
阻尼
如果第二級(jí)LC濾波器的阻尼不合適,可能會(huì)出現(xiàn)諧振。濾波電感與對地支路之間的諧振會(huì)放大輸出紋波,在負(fù)載瞬態(tài)時(shí)還會(huì)產(chǎn)生不希望出現(xiàn)的振鈴。圖7a顯示了帶第二級(jí)LC濾波器的欠阻尼變換器系統(tǒng)的輸出電壓。最初,系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行。當(dāng)t=200µs時(shí),負(fù)載瞬態(tài)從1A變成2A,輸出電壓引起振鈴。圖7b說明了過阻尼二級(jí)濾波器負(fù)載瞬態(tài)下的輸出電壓和電流。為避免在負(fù)載瞬態(tài)時(shí)產(chǎn)生振鈴,第二級(jí)LC濾波器諧振必須得到適當(dāng)?shù)囊种?。在大多?shù)設(shè)計(jì)中,第二級(jí)濾波器會(huì)被放置在控制回路之外,以避免控制回路不穩(wěn)定。因此,阻尼必須使用無源元件(附加阻尼電阻)。
圖7:瞬態(tài)響應(yīng)
濾波電感通常包含與電感串聯(lián)的寄生直流電阻。此DCR向網(wǎng)絡(luò)提供阻尼。然而,為了能向串聯(lián)RLC電路提供足夠的阻尼,串聯(lián)電阻必須滿足 。大部分情況下,DCR無法獨(dú)自提供足夠的阻尼。為此,需在旁路電容處并聯(lián)一個(gè)RC阻尼網(wǎng)路,與串聯(lián)DCR電阻一起阻尼諧振電路。
設(shè)計(jì)實(shí)例
EVREF0102A是專為賽靈思ZCU1275 Zynq UltraScale+RFSOC設(shè)計(jì)平臺(tái)所開發(fā)的模擬電源模塊。EVREF0102模擬電源模塊為ZCU1275開發(fā)套件上的高速數(shù)模變換器提供超低噪聲電源。
圖8:EVRF0102超低噪聲電源模塊
EVREF0102A采用了五個(gè)帶集成電感器的高效降壓開關(guān)電源模塊。MPM3833C是一款6V、3A、超小型降壓電源模塊,MPM3683-7是一款16V、8A電源模塊。兩款電源模塊都具有集成保護(hù)功能,包括OCP、OVP、UVP和OTP。與傳統(tǒng)的LDO解決方案相比,EVREF0102A的效率提高了80%。EVREF0102A模擬電源模塊通過采用強(qiáng)制連續(xù)導(dǎo)通工作模式(CCM)和后無源濾波器,實(shí)現(xiàn)了超低噪聲水平,可以滿足Xilinx對高速數(shù)模變換器規(guī)范。其中,兩個(gè)最敏感的ADC和DAC電源使用CLC無源濾波器,其他電源使用電容濾波器。
MPM3833C電源模塊用來為ADC_AVCC電壓軌供電,下面便以此為例說明其設(shè)計(jì)過程。MPM3833C集成了一個(gè)1μH的功率電感,通過公式(1)計(jì)算出電感在5V輸入和0.925V輸出時(shí)的電流紋波為0.63A。隨后,基于公式(4)選擇第一級(jí)輸出電容器為22µF,為第二級(jí)濾波器提供3mV的電壓紋波。
第二級(jí)LC濾波器的所需增益由公式(5)確定為-30dB,在開關(guān)頻率下可實(shí)現(xiàn)120μV的輸出電壓紋波。考慮到尺寸和額定電流,選擇具有足夠額定電流的0.24μH Murata芯片電感DFE201612E-R24。ADC和DAC電源要求超低噪聲頻率范圍高達(dá)15MHz。為了提供足夠的衰減裕度,第二級(jí)濾波器的截止頻率選擇為25kHz。最后,濾波電容器的選擇150µF。這種設(shè)計(jì)雖比較保守,但能提供足夠的裕度。。阻尼電容選用100mΩ ESR 的SP電容器。鑒于SP電容器的串聯(lián)電阻足夠高,因此無需添加外部電阻來增加阻尼。
EVREF0102A輸出噪聲測量的FFT結(jié)果如圖9所示。如圖所示,開關(guān)頻率處的峰值噪聲被降至14μV。
圖9:EVREF0102中ADC_AVCC電源的輸出噪聲測量
總結(jié)
本文概述了如何使用輸出濾波器實(shí)現(xiàn)降壓調(diào)節(jié)器超低輸出電壓噪聲的設(shè)計(jì)過程。一個(gè)單級(jí)輸出電容濾波器能夠?qū)⑤敵鲭妷杭y波降低至1-2mV。若需將輸出電壓紋波有效降低至1mV以下,可增加第二級(jí)LC濾波器。第二級(jí)LC濾波器的設(shè)計(jì)包括了濾波電感、旁路電容和阻尼支路的選擇。文中還給出了Xilinx ZCU 1275套件中高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器電源的設(shè)計(jì)實(shí)例。優(yōu)化后的濾波器有效地降低了輸出電壓紋波,滿足ADC/DAC電源的超低噪聲要求。
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