一種微型低噪低成本穩壓電源的設計方法

2016-10-13 01:14:51固安信通信號技術股份有限公司趙寶全

電子世界 2016年17期

固安信通信號技術股份有限公司趙寶全

一種微型低噪低成本穩壓電源的設計方法

固安信通信號技術股份有限公司趙寶全

通過分析開關電源的噪聲來源并通過合理的器件選型、濾波技術以及并聯結構的設計來降低和抑制噪聲，獲得高效率低噪低成本的微型開關穩壓電源。該設計可以提高工作時間、降低系統發熱、降低成本、減小板上面積，尤其適合在電池供電的寬電源范圍內應用。

DCD；開關電源；低噪聲

0　引言

在使用電池的測量設備中需要高效率、低噪聲、板上占用面積小、成本低特性的電源。開關電源的轉換效率高，功率密度高，但噪聲對于模擬鏈路造成很大騷擾。通常是采用開關電源加LDO的二級結構，但是LDO本身的損耗降低有限并且發熱嚴重。本文通過分析開關電源的噪聲來源進行選型設計，獲得所需電源。

1. 噪聲來源

開關電源（如圖1）通過開關管通斷來為儲能元件充能及二極管續流來實現穩壓變換。噪聲的來源也主要來自這三個基礎元件。開關管工作在高頻開關狀態，其波形為方波，表現為寬帶噪聲信號，而儲能元件在開關管導通和關斷時會形成一個高壓尖峰，并且極性相反。在儲能元件充電和放電的過程中形成低頻的脈動噪聲。總的噪聲波形［1］為圖2所示。

圖1 降壓型DC-DC原理圖

圖2 噪聲波形

2. 器件選型

開關管的工作頻率和自身的參數Rd是主要選型因素，開關頻率在1.2M左右效率和響應速率較高，2.1M左右噪聲較小，綜合后在1.1M-2.2M區間進行選擇。而開關管的導通Rd則是越低越好。

電感元件主要為充能和放能兩個工作階段。L值過大，充能時間長，頻率不能做到很高，在開關管導通和關閉時產生的尖峰脈沖也更大.另外由于Q值較低，損耗變大，效率也較低。所以選擇Q值高，L值低的電感器件。可在20uH以下選擇。

續流二極管會貢獻少量噪聲，通過選擇同步型控制芯片去掉該元件或使用RC緩沖電路降低該元件導致的噪聲。輸入和輸出端使用電容來降低紋波噪聲。

3. 噪聲抑制

按照上述方法可以把噪聲控制在20-50mVPP以下，但需要進一步的抑制到模擬鏈的噪聲容忍范圍內。噪聲分為輸出端和輸入端的傳導噪聲、磁性元件的輻射噪聲。

3.1輻射噪聲抑制

對輻射噪聲抑制可使用距離分割的措施，由于輸入端噪聲為輸出端噪聲的5倍左右，所以電源的輸入端和模擬鏈路距離要最遠。噪聲耦合與隔離距離成指數下降。在模擬鏈路增加地層鋪銅或地線有更好效果，不要在電源附件鋪設模擬地。對電源部分進行屏蔽是更有效的方法，成本較高，接地的方式為單點接地。由于電源發熱量大，屏蔽不利于散熱，逆向思路是給模擬鏈路加屏蔽。

3.2傳導噪聲抑制

傳導噪聲中紋波［2］噪聲頻帶分布在100KHz-3MHz，尖峰噪聲頻帶為100MHz左右。通過2級濾波器分別處理。對紋波噪聲使用LC濾波器，對尖峰噪聲使用磁珠電容濾波器［3］。

濾波器：

LC濾波器起到調節阻抗作用，對高頻信號形成對地低阻抗通道。由于器件的寄生參數，超過50MHz的噪聲效果不好。使用（如圖3所示）π型3階結構［4］，在電感的左右有低阻抗通道，既阻隔噪聲的傳導也阻隔噪聲的反饋，兩端的電容會對瞬態的電流需求形成儲備。濾波器件的不同參數會產生很大的差異，L值太小則ESR較大，產生較大的損耗和壓降，L值選擇太大則分布電容變大，高頻噪聲阻隔效果變差，所以推薦不超過10uH。電容的阻抗如圖4所示的浴盆曲線，在高頻時電容的阻抗變大，去耦低阻抗通道消失導致濾波器性能下降。所以選擇低ESL類型的器件，推薦不超過10-100uF，通過并接0.1-10nF的電容來調整頻帶響應。需注意電容值太大會在啟動期間形成過重負載導致電源震蕩。