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如何測量和降低DC/DC電壓調節(jié)器的輸出電壓紋波

發(fā)布時間:2021-11-09 來源:MPS 責任編輯:wenwei

【導讀】如今,在很多諸如電信和網(wǎng)絡設備這樣的服務器中,均會使用多個電壓調節(jié)器給芯片或子電路供電。由于這些電源軌之間的電壓容差常常很?。ǎ?%),因此功率完整性的測量,如在全帶寬內測量紋波電壓,成為滿足系統(tǒng)設計要求的關鍵。


本文將結合MPS產(chǎn)品MPQ8633B的具體數(shù)據(jù),為你介紹如何測量并減少COT(恒定導通時間)模式調節(jié)器的電壓紋波。


紋波和噪聲源


全帶寬輸出紋波通常包含低頻(LF)紋波和高頻(HF)噪聲兩種。圖一顯示的降壓(Buck)變換器中的低頻(LF)紋波為輸出電壓的交流分量。


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圖 1:輸出電壓紋波及噪聲


然而,在實際電路中還會存在另一個交流分量,稱之為高頻(HF)噪聲,它會在開關導通和關斷時產(chǎn)生。圖2顯示了降壓(Buck)變換器輸出功率級的實際電路??紤]到高頻(HF)工作條件,實際電感的功能類似于電容阻抗,而實際電容則相當于電感阻抗。因此,簡化后的輸出功率級電路請見圖3。高頻(HF)噪聲主要由電感寄生電容(CL)和等效串聯(lián)電感(ESL)引起的開關耦合的高dV / dt引起。


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圖 2:降壓(Buck)變換器的實際輸出功率級電路


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圖 3:高頻域中降壓(Buck)變換器簡化輸出功率級電路


輸出電壓的測量設置


想要獲取精確的實驗數(shù)據(jù),是否采用了正確的測量設置非常重要。傳統(tǒng)方法是采用1MΩ無源電壓探極來測量。此種設置無法獲取真實的電壓紋波和噪聲,因為大回路吸收了很多周邊噪聲,同時還會產(chǎn)生寄生電感。圖5顯示了基于50Ω同軸電纜的回路,它比無源電壓探極回路要小得多。而且同軸電纜具有優(yōu)良的屏蔽效果、環(huán)路小、無信號衰減等優(yōu)勢。


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圖 4:使用無源電壓探極來測量紋波


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圖5:使用50Ω同軸電纜來測量紋波


圖 6 顯示了同一工作模式下,輸出紋波的對比圖。從圖中可以看出,同軸電纜可以有效降低高頻(HF)噪聲。后面章節(jié)的所有實驗數(shù)據(jù)均基于50Ω同軸電纜測量結果。


11.png

a)基于10個1MΩ無源電壓探極的輸出紋波圖


12.pngb)基于一個50Ω同軸電纜的輸出紋波圖

圖 6:全帶寬下的輸出紋波對比圖


降低輸出紋波


如前所述,高頻噪聲與電感、輸出電容以及開關節(jié)點的電壓均有關,因此可以采取以下三種方法來降低(HF)噪聲:


1. 降低開關節(jié)點的電壓尖峰;

2. 降低高頻工作的電感阻抗;

3. 降低高頻工作的輸出電容阻抗。


對于第一種方法,最有效的方案是降低開關導通和關斷的變化斜率,通過添加一個串聯(lián)自舉電阻或一個 RC 緩沖電路來實現(xiàn)。 


一旦開關尖峰降低,噪聲耦合環(huán)路就會得到優(yōu)化。首先,根據(jù)供應商的規(guī)格書選擇一款低寄生電容電感。然后,最大限度地減少噪聲振鈴頻率周圍的輸出電容阻抗。正常情況下,降壓(Buck)變換器的噪聲振鈴頻率為幾百MHz左右。


以往通常會采用X5R/X7R陶瓷電容來降低全帶寬的紋波,因為相比于電解電容和鉭質電容,它們的ESR和ESL會更低。一般來說,高頻時陶瓷電容越小,其阻抗也越小。但小陶瓷電容的容值比較有限。因此,采用傳統(tǒng)的X5R/X7R陶瓷電容并不是最好的辦法。


圖 7 顯示了專為降低高頻噪聲而選的NP0陶瓷電容,此種電容具有低阻抗的特性。其阻抗特性也與電容容值相關(見圖8) 。根據(jù)高頻噪聲振鈴頻率,幾百pF的NP0電容即可滿足此種場合。


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圖 7:1000pF X7R 電容與NP0電容(0603)阻抗對比圖


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圖 8:不同容值NP0電容的阻抗變化圖(0603)


在以下應用原理圖中,NP0電容靠近IC放置,紋波測試點位于輸出電容端部(見圖9)。按照這種方式,大部分高頻噪聲可以通過NP0電容過濾掉,而大部分低頻噪聲則通過大容值的X5R/X7R電容過濾。


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圖 9:集成NP0/LICC電容的恒定導通控制模式(COT)調節(jié)器應用原理圖


圖 10 顯示了普通陶瓷電容與NP0電容的輸出紋波對比圖,用以證明NP0電容的有效性。從圖中可以看出,NP0電容能夠顯著降低高頻噪音。


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a)采用1個 180pF 0603 X7R 電容加上3個 100μF 1206 X7R 電容的輸出紋波圖

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b)采用1個 180pF 0603 NP0 電容加上3個 100μF 1206 X7R 電容的輸出紋波圖

圖 10:全帶寬下不同輸出電容配置的輸出電壓紋波對比圖


結論


本文分析了DC/DC電壓調節(jié)器輸出紋波源,對比了不同的測量設置,并探討了如何降低輸出紋波??梢粤私獾剑珻OT調節(jié)器能夠有效優(yōu)化高頻范圍內的SW電壓尖峰、電感阻抗以及輸出電容阻抗,從而降低輸出紋波和高頻噪聲。50Ω同軸電纜是輸出紋波電壓測量工具的理想之選。而MPS的產(chǎn)品 MPQ8633B 作為一款優(yōu)秀的COT調節(jié)器,非常適合解決這些問題。


來源:MPS,作者:WEIRAN DAI Applications Engineer, MPS



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