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如何優(yōu)化超低噪聲μModule穩(wěn)壓器的二階輸出濾波器

發(fā)布時(shí)間:2025-03-14 來(lái)源:ADI公司 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】噪聲敏感器件的功耗不斷提高。醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)、5G收發(fā)器和自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)等應(yīng)用需要在面積較小的PCB上實(shí)現(xiàn)高輸出電流(>5 A)、低噪聲水平和高帶寬。由于對(duì)輸出電流的需求較高,以前使用的傳統(tǒng)雙級(jí)(降壓+低壓差(LDO)穩(wěn)壓器)解決方案需要的PCB面積較大,導(dǎo)致功耗較高,因此不太受歡迎。


問(wèn)題

能否進(jìn)一步降低超低噪聲μModule?穩(wěn)壓器的輸出開關(guān)噪聲?


如何優(yōu)化超低噪聲μModule穩(wěn)壓器的二階輸出濾波器


回答


使用二階輸出濾波器可將超低噪聲μModule穩(wěn)壓器的輸出噪聲降低90%以上。選擇電容和電感元件時(shí)必須謹(jǐn)慎,以確??刂苹芈纺軌蚩焖偾曳€(wěn)定地運(yùn)作。這種設(shè)計(jì)對(duì)于無(wú)線和射頻應(yīng)用特別有益,因?yàn)榭焖偎矐B(tài)響應(yīng)可有效縮短系統(tǒng)消隱時(shí)間并提升信號(hào)處理效率。此方法的噪聲水平與LDO相當(dāng),效率堪比開關(guān)穩(wěn)壓器。


簡(jiǎn)介


噪聲敏感器件的功耗不斷提高。醫(yī)療超聲成像系統(tǒng)、5G收發(fā)器和自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)等應(yīng)用需要在面積較小的PCB上實(shí)現(xiàn)高輸出電流(>5 A)、低噪聲水平和高帶寬。由于對(duì)輸出電流的需求較高,以前使用的傳統(tǒng)雙級(jí)(降壓+低壓差(LDO)穩(wěn)壓器)解決方案需要的PCB面積較大,導(dǎo)致功耗較高,因此不太受歡迎。


LTM4702超低噪聲μModule穩(wěn)壓器采用ADI公司專有的Silent Switcher?技術(shù),兼具超快瞬態(tài)響應(yīng)和超低噪聲特性。得益于此,該器件的效率可與同步開關(guān)穩(wěn)壓器相媲美,是大電流和噪聲敏感型應(yīng)用的理想選擇。在許多應(yīng)用中,該解決方案可以省去LDO電路,從而節(jié)省約60%的LDO成本、至少4 W的LDO功耗以及2 cm2以上的LDO PCB空間(包括間隙)。


眾所周知,對(duì)于某些要求開關(guān)頻率紋波非常小的應(yīng)用,二階LC濾波器可以降低輸出電壓的開關(guān)頻率諧波。然而,若是既要盡量減小開關(guān)紋波,又要維持控制環(huán)路穩(wěn)定和其高帶寬,僅依靠這種方法是不可行的,未經(jīng)優(yōu)化的LC濾波器會(huì)使控制環(huán)路變得不穩(wěn)定,導(dǎo)致輸出振蕩。本文先分析了二階LC濾波器的簡(jiǎn)化環(huán)路,然后提出了用于指導(dǎo)電容分配和電感計(jì)算的直觀設(shè)計(jì)方法,最后通過(guò)LTM4702設(shè)計(jì)示例驗(yàn)證了所提出的設(shè)計(jì)方法。


如何優(yōu)化超低噪聲μModule穩(wěn)壓器的二階輸出濾波器

圖1.電流模式降壓穩(wěn)壓器以及二階LC及其典型波特圖


二階LC輸出濾波器設(shè)計(jì)的環(huán)路分析


在電流模式降壓穩(wěn)壓器中,輸出阻抗是控制對(duì)象。圖1為二階LC的電路及其典型波特圖。為了在有負(fù)載時(shí)仍能準(zhǔn)確調(diào)節(jié)直流電壓,需要檢測(cè)VOUT遠(yuǎn)端節(jié)點(diǎn)B。


從VOUT到iLO的轉(zhuǎn)換函數(shù)為:


如何優(yōu)化超低噪聲μModule穩(wěn)壓器的二階輸出濾波器


從轉(zhuǎn)換函數(shù)(公式1)可知,二階LC濾波器會(huì)引入頻率為諧振頻率的雙極點(diǎn)。


如何優(yōu)化超低噪聲μModule穩(wěn)壓器的二階輸出濾波器


從圖1中的典型波特圖可以看出,在諧振頻率處存在陡峭的90°相位延遲。為確保穩(wěn)定性,諧振頻率應(yīng)比控制環(huán)路帶寬高4到5倍,這是為了避免可能導(dǎo)致不穩(wěn)定的90°相位延遲。此外,為使開關(guān)頻率紋波衰減到足夠低的水平,此諧振頻率應(yīng)設(shè)置為開關(guān)頻率的1/5到1/4,以便LC濾波器能夠提供足夠的濾波效果。開關(guān)頻率下的衰減增益和控制環(huán)路帶寬之間存在此消彼長(zhǎng)的關(guān)系。但這種方法有助于選擇諧振頻率,并確定合適的LC值。


為了保持相似的負(fù)載瞬態(tài)性能,添加LC濾波器前后的輸出阻抗應(yīng)該保持一致。換句話說(shuō),無(wú)論有沒有LC濾波器,輸出電容都應(yīng)該大致相同。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn),圖1中C2的電容值可以與未使用LC時(shí)相似,而C1可以使用小得多的電容,以便C1可以主導(dǎo)諧振頻率位置。由于C1遠(yuǎn)小于C2,公式2可以簡(jiǎn)化為公式3:


如何優(yōu)化超低噪聲μModule穩(wěn)壓器的二階輸出濾波器


建議C1至少為C2值的十分之一。選定C1之后,就可以使用公式3中的諧振頻率計(jì)算出Lf值。通過(guò)檢查實(shí)際元件的可用性,可以確定合適的C1和Lf值。


元件選擇注意事項(xiàng)


在有效二階LC濾波器設(shè)計(jì)中,電容和電感元件的選擇至關(guān)重要。二階LC濾波器需要在開關(guān)頻率下提供足夠大的衰減。超低噪聲μModule穩(wěn)壓器的開關(guān)頻率較高,約為1 MHz至3 MHz,因此二階LC中的電感和電容需具備良好的高頻特性。C2的選擇要求與沒有LC的設(shè)計(jì)類似,因此這里不作討論。C1和Lf的選擇標(biāo)準(zhǔn)如下。


?C1電容的選擇標(biāo)準(zhǔn)。

1.C1的自諧振頻率必須高于開關(guān)頻率。開關(guān)頻率下C1的阻抗是二階LC設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。建議使用陶瓷電容,其自諧振頻率可參考其阻抗與頻率的關(guān)系曲線來(lái)確定。通常,典型的0603或0805尺寸陶瓷電容是理想選擇,其自諧振頻率必須在3 MHz以上。

2.為了承受所需電流,RMS電流額定值應(yīng)足夠高。假設(shè)所有交流紋波都經(jīng)過(guò)C1,那么陶瓷電容應(yīng)能處理較大的RMS紋波電流??蓞⒖继沾呻娙莸臏厣c電流的關(guān)系曲線來(lái)確定其電流能力。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看,對(duì)于0603尺寸的電容器,約4 A rms是個(gè)不錯(cuò)的選擇。


?Lf電感的選擇標(biāo)準(zhǔn)

1.對(duì)于8A以下的輸出電流,建議使用鐵氧體磁珠,因?yàn)樗哂辛己玫母哳l特性且尺寸緊湊。鐵氧體磁珠也有助于抑制極高頻率的尖峰1。對(duì)于8 A以上的輸出電流,或者需要較大電感,可能很難找到合適的鐵氧體磁珠,因此建議使用傳統(tǒng)的屏蔽電感。

2.選擇RMS電流額定值足夠大的鐵氧體磁珠/電感,例如,對(duì)于8 A以下的輸出電流,選擇RMS電流額定值為8 A的電感。建議所選器件的電感值小于μModule器件電感值的10%。


超低噪聲μModule設(shè)計(jì)示例


圖2為L(zhǎng)TM4702的設(shè)計(jì)示例。該方案兼具超低電磁干擾(EMI)輻射和超低有效值噪聲特性,開關(guān)頻率可在300 kHz至3 MHz范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。在設(shè)計(jì)示例中,開關(guān)頻率設(shè)置為2 MHz,以優(yōu)化12 VIN至1 VOUT應(yīng)用的噪聲性能。根據(jù)所提出的LC濾波器設(shè)計(jì)方法,二階LC的諧振頻率設(shè)置為400 kHz至500 kHz,是開關(guān)頻率的1/5至1/4。


如何優(yōu)化超低噪聲μModule穩(wěn)壓器的二階輸出濾波器

圖2.LTM4702示例電路和電路板照片


目標(biāo)控制環(huán)路帶寬為100 kHz,LC諧振頻率是其4到5倍;C1使用兩個(gè)0603 4.7 μF電容;鐵氧體磁珠BLE18PS080SH1用作Lf,其尺寸為0603,如圖2所示;C2仍使用兩個(gè)1206 100 μF陶瓷電容;諧振頻率為424 kHz。


如何優(yōu)化超低噪聲μModule穩(wěn)壓器的二階輸出濾波器


噪聲測(cè)量對(duì)比如圖3所示。在2 MHz開關(guān)頻率下,無(wú)LC的輸出開關(guān)紋波為234 μV,添加0603鐵氧體磁珠后大幅降低至15 μV。


如何優(yōu)化超低噪聲μModule穩(wěn)壓器的二階輸出濾波器

圖3.無(wú)LC的開關(guān)噪聲(234 μV)與有LC的開關(guān)噪聲(15 μV)


為盡可能降低噪聲而添加的二階LC濾波器,能夠?qū)⒖刂骗h(huán)路帶寬維持在100 kHz,并保持快速瞬態(tài)響應(yīng),恢復(fù)時(shí)間小于10 μs。這些結(jié)果可以通過(guò)對(duì)比有無(wú)LC濾波器的實(shí)驗(yàn)評(píng)估來(lái)確認(rèn)。由于恢復(fù)時(shí)間在10 μs內(nèi),消隱時(shí)間可以忽略不計(jì),這對(duì)于無(wú)線和射頻應(yīng)用是非常不錯(cuò)的表現(xiàn)。ADI公司的LTM4702幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)者解決了負(fù)載瞬態(tài)消隱時(shí)間挑戰(zhàn),避免了信號(hào)處理效率低下的問(wèn)題。


圖4的負(fù)載瞬態(tài)波形驗(yàn)證了添加二階LC濾波器后,設(shè)計(jì)具有快速瞬態(tài)響應(yīng),并且恢復(fù)時(shí)間在10 μs內(nèi),與沒有此濾波器的設(shè)計(jì)示例相比也毫不遜色。


如何優(yōu)化超低噪聲μModule穩(wěn)壓器的二階輸出濾波器

圖4.負(fù)載瞬態(tài)結(jié)果:無(wú)LC與有LC(恢復(fù)時(shí)間在10 μs內(nèi))


結(jié)論


如何在支持大電流應(yīng)用的同時(shí)盡量減少噪聲,并確保高效率和穩(wěn)定性,是一項(xiàng)棘手難題。添加二階LC濾波器可以顯著降低噪聲,但如果優(yōu)化不當(dāng),可能會(huì)導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。為了在不影響穩(wěn)定性的前提下盡可能地降低噪聲,應(yīng)使用優(yōu)化的二階LC濾波器?;陂_關(guān)頻率、控制環(huán)路帶寬和諧振頻率精心選擇所需的電感和電容元件,可以有效降低開關(guān)噪聲,同時(shí)保持快速瞬態(tài)響應(yīng)和高帶寬特性。


參考文獻(xiàn)


1 Jim Williams.“AN101:盡可能地減少線性穩(wěn)壓器輸出中的開關(guān)穩(wěn)壓器殘留物”。凌力爾特,2005年7月。

(來(lái)源:ADI公司,作者:George (Zhijun) Qian,高級(jí)模擬設(shè)計(jì)工程經(jīng)理,Jennifer Florence Joseph Benedicto,高級(jí)設(shè)計(jì)評(píng)估工程師)


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