【導(dǎo)讀】與低壓差(LDO)穩(wěn)壓器相比，開(kāi)關(guān)電源具有更高的效率和更強(qiáng)的功率處理能力。但與此同時(shí)，功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)的快速開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生向周圍輻射的電磁噪聲。在測(cè)量輸出電壓紋波時(shí)，這類輻射噪聲可被檢測(cè)到，并表現(xiàn)為高頻噪聲。倘若測(cè)試設(shè)置不當(dāng)，可能會(huì)影響開(kāi)關(guān)電源的真實(shí)性能表現(xiàn)。本文分析了電壓測(cè)量中出現(xiàn)高頻噪聲的根本原因，并闡述客戶是否需要為這類噪聲擔(dān)憂。文章通過(guò)Ansys Maxwell仿真模擬電源周圍的輻射磁通分布，直觀呈現(xiàn)輻射效應(yīng)。此外，本文提出了一種可測(cè)量電路中實(shí)際輸出電壓紋波并識(shí)別高頻噪聲引發(fā)的潛在問(wèn)題的方法。
引言
在眾多應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)電源憑借高效率、高功率等優(yōu)異特性，成為事實(shí)上的唯一選擇。降壓型功率轉(zhuǎn)換器是目前應(yīng)用最廣泛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制開(kāi)關(guān)特性，實(shí)現(xiàn)功率傳輸調(diào)節(jié)。但與此同時(shí)，功率FET在納秒至數(shù)十納秒級(jí)的快速開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程中會(huì)引入高頻噪聲。例如，在對(duì)噪聲敏感的應(yīng)用中，如果電源產(chǎn)生的高頻電壓尖峰與時(shí)鐘信號(hào)疊加，將會(huì)導(dǎo)致ADC、ASIC、FPGA等負(fù)載器件工作異常甚至失效。因此，明確高頻噪聲的根本成因、識(shí)別噪聲問(wèn)題，并找到抑制或消除其影響的可行方案至關(guān)重要。而正確的噪聲/紋波測(cè)量方法尤為關(guān)鍵。
降壓轉(zhuǎn)換器的典型輸出電壓紋波
在典型降壓轉(zhuǎn)換器中，電感與電容構(gòu)成濾波網(wǎng)絡(luò)，為開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的交流信號(hào)提供傳導(dǎo)通路徑。電感電流包含交流分量和直流分量。大部分交流分量將流入輸出電容，而直流分量只流向負(fù)載。若不考慮元件寄生參數(shù)（如圖1a所示），輸出電容兩端的輸出電壓紋波為平滑波形（如圖1b所示）。
圖1.簡(jiǎn)化降壓轉(zhuǎn)換器：(a)無(wú)寄生參數(shù)的電路；(b)開(kāi)關(guān)波形
若考慮輸出電容的寄生電阻與寄生電感（如圖2a所示），輸出電壓紋波會(huì)發(fā)生顯著變化（如圖2b所示）。
圖2.包含寄生參數(shù)的輸出電容：(a)簡(jiǎn)化電路；(b)輸出電壓波形
圖2b中波形的交流分量主要分布在開(kāi)關(guān)頻率附近，范圍為數(shù)百kHz至數(shù)MHz。但在實(shí)際測(cè)試中，輸出電壓通常會(huì)出現(xiàn)更高頻率的分量，頻率約為數(shù)百M(fèi)Hz。功率電感的寄生電容可為這些數(shù)百M(fèi)Hz的信號(hào)提供從開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)到輸出端的導(dǎo)通路徑，如圖3所示。
圖3.考慮電感寄生電容時(shí)的輸出電壓紋波：(a)開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)至輸出端的導(dǎo)通路徑；(b)開(kāi)關(guān)波形
圖4a給出了基于LTM4628 μModule?降壓穩(wěn)壓器的輸出電壓測(cè)量示例,可以清楚觀察到開(kāi)關(guān)頻率波形與高頻尖峰。而當(dāng)探頭相對(duì)于電路板從垂直方向改為水平方向時(shí)，測(cè)得的輸出電壓紋波從54mV降至42mV，如圖4b所示。圖5展示了輸出電壓的測(cè)量方式。若僅考慮導(dǎo)通路徑上產(chǎn)生的輸出電壓紋波，測(cè)量結(jié)果不應(yīng)隨探頭位置改變。同時(shí)，探頭拾取的高頻噪聲與開(kāi)關(guān)動(dòng)作同步。因此，探頭額外拾取的高頻噪聲很可能是快速開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程中，熱環(huán)路內(nèi)高di/dt所感應(yīng)的輻射噪聲。
圖4.采用通用無(wú)源探頭測(cè)量LTM4628的輸出電壓紋波：(a)探頭垂直于演示板；(b)探頭水平于演示板
圖5.輸出電壓紋波測(cè)量設(shè)置：(a)探頭垂直于演示板；(b)探頭水平于演示板
為進(jìn)一步驗(yàn)證探頭位置所帶來(lái)的差異，分別采用通用探頭、BNC線纜及有源差分探頭來(lái)測(cè)量輸出電壓紋波，如圖6所示。如圖所示，通用探頭需要額外彈簧作為接地回路，因而測(cè)量環(huán)路更大。
表1給出了不同探頭的測(cè)量結(jié)果。與垂直放置測(cè)量相比，探頭水平放置時(shí)測(cè)得的高頻尖峰均更低。此外，使用通用探頭時(shí)的水平放置測(cè)量結(jié)果，要高于使用BNC線纜與差分探頭時(shí)的測(cè)量結(jié)果。
圖6.不同的探頭：(a)通用探頭；(b)BNC線纜；(c)差分探頭
表1.采用垂直與水平測(cè)量方式時(shí)，不同探頭測(cè)得的輸出電壓紋波
為理解輸出電壓紋波測(cè)量中出現(xiàn)的異常現(xiàn)象，基于簡(jiǎn)化后的LTM4628物理結(jié)構(gòu)搭建了如圖7a所示的Maxwell仿真模型。熱環(huán)路1由模塊內(nèi)部的MOSFET與內(nèi)部輸入電容構(gòu)成；熱環(huán)路2由MOSFET與演示板上模塊附近的外部輸入電容構(gòu)成。向熱環(huán)路1和熱環(huán)路2均注入300MHz的等效電流，以模擬開(kāi)關(guān)瞬態(tài)過(guò)程中熱環(huán)路內(nèi)的高di/dt效應(yīng)。圖7b展示了模塊周圍的磁場(chǎng)（H場(chǎng)）分布。在演示板上方、模塊周圍區(qū)域的H場(chǎng)強(qiáng)度顯著更高，表明熱環(huán)路產(chǎn)生的磁通極易被探頭測(cè)量環(huán)路拾取。
圖7.Maxwell有限元分析(FEA)仿真：(a)仿真模型；(b)H場(chǎng)分布
圖8給出了放大后的H場(chǎng)分布，以便更詳細(xì)地說(shuō)明不同探頭位置導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果差異的根本原因。在圖8中，等效垂直測(cè)量環(huán)面所能拾取的磁通量約為水平測(cè)量環(huán)面的8倍。這是由于演示板上的厚銅鋪面對(duì)高頻磁通具有衰減作用，可以阻擋磁通穿透。因此，大部分磁通將沿演示板表面水平流動(dòng)。
圖8.輸出電容周圍的詳細(xì)磁通分布
圖9更直觀地展示了垂直測(cè)量環(huán)路為何能拾取更多由熱環(huán)路產(chǎn)生的磁通。探頭的正極探頭、負(fù)極或接地探頭、探頭內(nèi)部的回流路徑共同構(gòu)成一個(gè)類似天線的環(huán)路，可拾取開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器周圍的高頻磁通。
圖9.VOUT測(cè)量環(huán)路所拾取的額外輻射噪聲
為進(jìn)一步驗(yàn)證這一原理，采用帶屏蔽的同一款探頭測(cè)量輸出電壓(VOUT)紋波，如圖10所示。手動(dòng)將銅箔環(huán)繞到差分探頭上形成屏蔽層，探頭也將垂直于演示板。
圖10.采用差分探頭的VOUT測(cè)量：(a)無(wú)屏蔽；(b)帶銅箔屏蔽
結(jié)果表明，與圖10a無(wú)屏蔽測(cè)量相比，圖10b中采用屏蔽探頭后，高頻噪聲顯著降低。除高頻噪聲外，兩幅圖中的開(kāi)關(guān)頻率紋波基本一致。此外，基于圖3所分析，由于電感寄生電容的影響，輸出電容兩端會(huì)存在高頻紋波，如圖10b中的波形所示。
圖11.VOUT測(cè)量結(jié)果：(a)無(wú)屏蔽：114.4mV；(b)帶屏蔽：27.2mV
結(jié)語(yǔ)
快速開(kāi)關(guān)瞬態(tài)會(huì)在熱環(huán)路中產(chǎn)生高di/dt。對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓紋波，電感寄生電容所形成的導(dǎo)通路徑會(huì)在高di/dt作用下引入高頻噪聲。
但在實(shí)際的VOUT紋波測(cè)量中，往往會(huì)拾取到頻率更高的噪聲，且這類噪聲同樣與開(kāi)關(guān)動(dòng)作同步。這種額外紋波同樣是由熱環(huán)路中高di/dt所產(chǎn)生的輻射噪聲。同時(shí)，高頻尖峰幅度會(huì)隨探頭在演示板上的位置而變化。Ansys仿真結(jié)果表明，垂直測(cè)量結(jié)構(gòu)相比水平測(cè)量結(jié)構(gòu)，能夠拾取熱環(huán)路產(chǎn)生的更多高頻磁通。
為進(jìn)一步驗(yàn)證此結(jié)論，采用帶屏蔽探頭對(duì)輸出電壓紋波進(jìn)行了測(cè)量。結(jié)果顯示，與無(wú)屏蔽探頭相比，帶屏蔽探頭測(cè)得的高頻噪聲顯著降低，證明探頭確實(shí)會(huì)拾取額外的高頻輻射噪聲。電路板上COUT兩端真實(shí)的VOUT紋波，小于探頭測(cè)量得到的VOUT紋波值。
作者簡(jiǎn)介
Yu Yan于田納西大學(xué)獲得電氣工程博士學(xué)位。他于2022年加入ADI公司，擔(dān)任應(yīng)用工程師，涉足的專業(yè)領(lǐng)域包括直流-直流轉(zhuǎn)換器、交流-直流轉(zhuǎn)換器及數(shù)字控制。在校期間，他主要研究電動(dòng)汽車充電器設(shè)計(jì)，在ADI任職后專注于電源模塊開(kāi)發(fā)。
