纹波和开关噪声的产生及抑制方法

DC/DC转换器是开关电源芯片，指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关(MOSFET等)进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容(感)里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比(由开关导通时间与整个开关的周期的比值)有关。开关电源可以用于升压和降压。常用的DC-DC产品有两种。一种为电荷泵(Charge Pump)，一种为电感储能DC-DC转换器。本文详细讲解了这两种DC/DC产品的相关知识。

引言：DC-DC在其输出电压中包含纹波和开关噪声，因此它们不适合作为需要精确输入电压的应用(例如传感器)的电源。一般对策包括将LDO连接到DC-DC的输出，以抑制纹波和开关噪声，但在包括负载的各种条件下，可能难以抑制纹波和开关噪声，并且开关噪声可能传播。作为额外的对策，可以将低通滤波器连接到DC-DC的输出端，然后将它们作为电源连接到LDO。

1.纹波和开关噪声的产生及抑制方法

尽管DC-DC产生纹波和开关噪声，但是可以通过根据PSRR(电源抑制比)将LDO连接到输出来抑制噪声，然而由于LDO的有限频率特性，LDO的PSRR在高频下降低，如图11-1所示，由于开关频率很高，范围从几百kHz到几MHz，开关噪声还是会叠加在线性调节器的输出上。

图11-1：由于LDO的有限频率特性，PSRR在高频时降低

当开关噪声叠加在输出上时，可能不满足传感器输入的精度要求，为了在高频区域增加PSRR，如图11-2将低通滤波器连接到DC-DC的输出以抑制高频，尽管频率仍然保持在低频区域，但这些频率可以用LDO抑制，从而抑制宽频段的开关噪声输出。

图11-2：用低通滤波器抑制开关噪声

LDO的PSRR的测量方法

根据LDO的PSRR特性确定开关噪声的抑制率，PSRR的增益越高，抑制率越高。PSRR的测量电路如图11-3所示，在LDO的输入端叠加20mV交流纹波电压然后输入LDO，在1mA、10mA和100mA的输出负载件下进行测量。

图11-3：PSRR的测量方法

当DC-DC输出用作LDO的电源时，从图11-4可以看出PSRR在开关频率(1.25MHz)附近较低。此外PSRR随着输出负载的增加而降低，这表明开关噪声是传播的，因此为了补偿LDO的频率特性，有必要在DC-DC输出和LDO之间插入低通滤波器。在本节应用中，如

图11-5 ，LC滤波器用作低通滤波器。

图11-4：频率-PSRR特性曲线

低通滤波器的参数设计

当需要低通滤波器时，可以使用SPICE模型来仿真执行详细检查。使用L=47uH(串联电阻DCR=5Ω)的LQH2MCN470K02(Murata)和C=10uF的GRM188B31A106KE69(Murata)作为部件进行图11-6仿真。

例如，在图11-6中，最大电流设置为100mA，Vout相对于Vin下降至0.5V，此外，所用线圈的额定电流为120mA。

图11-6：低通滤波器频率特性测量图像

根据

截止频率为7.35kHz，如图11-7所示，由于频率响应在30kHz附近为-23dB，PSRR降低，在500kHz附近为-70dB，因此可以预期PSRR可以得到改善。

图11-7：低通滤波器的频率特性

PSRR&低通滤波器

图11-8显示了包括低通滤波器的测量电路，如上所述，当输出负载为1mA、10mA和100mA时，测量PSRR特性，每个输出负载条件下的PSRR测量结果如图11-9所示。

图11-8：包括低通滤波器的LDO PSRR测量电路

图11-9：包括低通滤波器的LDO的PSRR

由于在开关频率为1.25MHz的DC-DC的所有负载条件下，PSRR超过60dB，因此使用低通滤波器抑制了开关噪声。

防止开关噪声传播的电路设计

首先检查DC-DC的开关噪声大小，DC-DC与电源相连。使用DC

Block(PSPL5501A)分离开关调节器的开关噪声，并将信号输入频谱分析仪以进行成分分析。分析结果如图11-11显示，在开关频率的倍数处出现峰值。

图11-10：开关噪声的信号分析方法

图11-11：开关噪声信号分析结果

接下来，将低通滤波器连接到DC-DC的输出，并将LDO连接到低通滤波器，将直流模块连接到LDO的输出端，并将输出信号输入频谱分析仪，成分分析结果如图11-13所示。

图11-12：带LDO和低通滤波器的开关噪声抑制电路

图11-13：开关噪声降低的信号分析结果

从图11-14可以确认，该电路抑制了开关噪声。

图11-14：用LDO和低通滤波器抑制开关噪声的结果

当DC-DC的输出用作LDO的电源时，无法抑制的开关噪声可能叠加在输出上，为了抑制这种噪声，在DC-DC和LDO之间插入低通滤波器是非常有效的。