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降低开关电源噪声影响的两种方法

2020-08-27 Bill Schweber 阅读:
尽管开关电源设计可能需要在某些直流电源轨上实现极低的噪声,但其通常在功耗和运行时间方面却更要做系统级的考虑。这些领域包括敏感的低电平RF前端以及精确的高分辨率A/D转换。

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。jrwednc

当然,即使是用作DC/DC稳压器的低噪声开关电源,也没有线性稳压器那么安静。然而,尽管开关电源设计可能需要在某些直流电源轨上实现极低的噪声,但其通常在功耗和运行时间方面却更要做系统级的考虑。这些领域包括敏感的低电平RF前端以及精确的高分辨率A/D转换。jrwednc

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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)jrwednc

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。jrwednc

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。jrwednc

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“Advantages of the STOP function for low-noise data-acquisition applications”中对此进行了进一步的讨论。jrwednc

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。jrwednc

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)。jrwednc

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图2:LT8614和更嘈杂的LT8610的辐射发射与CISPR25 B类辐射极限的比较。(图片来源:ADI)jrwednc

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“Silent Switcher”。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。jrwednc

这些ADI公司“Silent Switcher”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Analogue Dialogue文章“Silent Switcher Devices Are Quiet and Simple”和LT Journal文章“Silent Switcher Meets CISPR Class 5 Radiated Emissions While Maintaining High Conversion Efficiency”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。jrwednc

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Jim Williams 1976年在EDN发表的首批文章中的一篇“This 30-ppm scale proves that analog designs aren’t dead yet”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。jrwednc

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?jrwednc

(原文刊登于EDN姊妹网站EETimes美国版,参考链接:"Stop" in the Name of Noise: Do I Shut Off That Switching Supply?jrwednc

本文为《电子技术设计》2020年9月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里jrwednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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