【導(dǎo)讀】POL調(diào)節(jié)器上的輸入濾波器可發(fā)揮兩項(xiàng)重要的作用，一個(gè)作用是防止開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾到達(dá)電力線和影響其它設(shè)備，第二個(gè)作用是保護(hù)轉(zhuǎn)換器及其負(fù)載以避免輸入電壓中出現(xiàn)的瞬變，從而提高系統(tǒng)可靠性。因此，輸入電容器對(duì)于調(diào)節(jié)器的正確運(yùn)作及最大限度地減少來(lái)自開關(guān)調(diào)節(jié)器的噪聲排放至關(guān)重要。
愛立信POL調(diào)節(jié)器通過(guò)使用如圖1所示的非隔離型同步降壓拓?fù)鋪?lái)實(shí)現(xiàn)。在降壓功率級(jí)的正常運(yùn)作期間，QH和QL交替開關(guān)，開關(guān)次數(shù)由具有固定頻率PWM方案的控制電路來(lái)管理。由于輸出端的電感器/電容器組合作用，用于降壓功率級(jí)的輸出電流變得平滑。但是，由于在每個(gè)開關(guān)周期中功率開關(guān)QH電流從零至全負(fù)載進(jìn)行脈動(dòng)，使得用于降壓功率級(jí)的輸入電流是脈動(dòng)或形成斬波。對(duì)于調(diào)節(jié)器的正確運(yùn)作及最大限度地減少來(lái)自開關(guān)調(diào)節(jié)器的噪聲排放，輸入電容器顯然是至關(guān)重要的。
圖1 降壓轉(zhuǎn)換器的簡(jiǎn)化原理圖和輸入波形
許多應(yīng)用使用了相當(dāng)傳統(tǒng)的中間總線架構(gòu)(IBA)，如圖2所示。在IBA中，電路板級(jí)中間總線轉(zhuǎn)換器(IBC)為多個(gè)POL調(diào)節(jié)器饋送電力，這些調(diào)節(jié)器的位置接近負(fù)載電路，并且提供最終運(yùn)作電壓。所有這些開關(guān)轉(zhuǎn)換器在公用DC輸入總線產(chǎn)生紋波和噪聲，應(yīng)當(dāng)加以抑制。如果未有濾波，調(diào)節(jié)器的輸入紋波和噪聲可以達(dá)到足夠高的水平，干擾使用同一電源供電的其它設(shè)備。除了POL轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的輸入紋波和噪聲之外，IBC也具有自己的輸出電壓紋波和噪聲。
圖 2 在IBA中電路板級(jí)IBC為多個(gè)POL調(diào)節(jié)器饋送電力
因此，POL調(diào)節(jié)器上的輸入濾波器可發(fā)揮兩項(xiàng)重要的作用，一個(gè)作用是防止開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾到達(dá)電力線和影響其它設(shè)備，第二個(gè)作用是保護(hù)轉(zhuǎn)換器及其負(fù)載以避免輸入電壓中出現(xiàn)的瞬變，從而提高系統(tǒng)可靠性。
因此，POL調(diào)節(jié)器中的輸入紋波和噪聲的來(lái)源是什么?如何更好地設(shè)計(jì)輸入濾波器來(lái)緩減其發(fā)生?
穩(wěn)定性
在輸入端增添一個(gè)具有衰減特性足夠良好能夠滿足噪聲和紋波規(guī)范要求的濾波器，如果輸入濾波器僅由電容器(C)構(gòu)成，穩(wěn)定性不是問(wèn)題。如果輸入濾波器還包括電感器(LC)，則必需檢查穩(wěn)定性：因?yàn)檩斎霝V波器改變了調(diào)節(jié)器的動(dòng)態(tài)參數(shù)。輸出阻抗在某些頻率范圍可能變大，可能表現(xiàn)出共振，使得音頻的敏感性可能會(huì)降低。問(wèn)題在于LC輸入濾波器可能影響轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)參數(shù)，通常會(huì)減低調(diào)節(jié)器的性能。
輸入濾波器設(shè)計(jì)中一個(gè)重要但常常被忽視的方面，就是要滿足Middlebrook規(guī)范。根據(jù)這項(xiàng)規(guī)范，如果輸入濾波器的輸出阻抗曲線遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于輸入阻抗曲線，那么輸入濾波器便不會(huì)顯著改動(dòng)轉(zhuǎn)換器環(huán)路增益，如公式1所示：
換句話說(shuō)，為了避免振蕩，關(guān)鍵在于確保濾波器的峰值輸出阻抗Zo,Filter保持低于其輸入阻抗 Zi,POL。如圖3所示，POL調(diào)節(jié)器經(jīng)設(shè)計(jì)為負(fù)載提供恒定電壓，(幾乎)與負(fù)載電流無(wú)關(guān)。因此，調(diào)節(jié)器在控制器帶寬范圍內(nèi)的最小輸入阻抗Zi,POL,min如公式2計(jì)算所得：
此處：Vi是輸入電壓，Vo是輸出電壓，Io是穩(wěn)態(tài)輸出負(fù)載電流，而η是調(diào)節(jié)器的效率。
圖 3 輸入濾波器的輸出阻抗和調(diào)節(jié)器的輸入阻抗示例
輸入紋波和噪聲源
對(duì)于POL調(diào)節(jié)器，輸入紋波和噪聲具有三個(gè)分量，首個(gè)出現(xiàn)在通常稱作紋波的基礎(chǔ)開關(guān)頻率上。
第二個(gè)分量是輸入總線上的AC電壓偏移，這是由于POL模塊輸出上的負(fù)載瞬態(tài)變化造成的，這通常是一種持續(xù)時(shí)間為數(shù)百微秒等級(jí)的、具有數(shù)十kHZ等效頻率的低頻現(xiàn)象。
第三個(gè)噪聲分量與發(fā)生在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間的高頻振鈴相關(guān)，POL以不連續(xù)脈沖電流的形式從輸入源中吸取功率過(guò)程中，它的開關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生了這類噪聲。這個(gè)分量的頻率等同于POL的開關(guān)頻率，它具有數(shù)個(gè)可擴(kuò)展到MHz頻率范圍的諧波。
另一個(gè)在DC總線上的高頻噪聲源是IBC。反射的紋波和來(lái)自源轉(zhuǎn)換器的噪聲通常比POL模塊引起的紋波和噪聲小很多，這是由于典型IBC在輸出上具有LC濾波器，可以顯著減小紋波和噪聲。
因而，在輸入總線上生成的大多數(shù)紋波和噪聲的主要原因在于POL調(diào)節(jié)器，請(qǐng)留意所有愛立信POL調(diào)節(jié)器在模塊上都放置了陶瓷濾波電容器，可顯著減小紋波和噪聲。然而，通過(guò)在POL模塊的輸入總線上放置附加的電容器，可以進(jìn)一步降低這些紋波和噪聲。
基礎(chǔ)開關(guān)頻率輸入紋波
對(duì)于降壓轉(zhuǎn)換器，在開關(guān)周期的導(dǎo)通部分，將輸出電感連接至輸入，在關(guān)斷期間則斷開。對(duì)于輸入端的恒定DC電壓，在QH導(dǎo)通期間的輸入電容器電荷數(shù)必需等于QH關(guān)斷期間的電容器電荷數(shù)，且兩者極性相反。圖1所示為輸入電容器波形，公式3則詳細(xì)說(shuō)明降低紋波電壓幅度至可接受水平所需的陶瓷電容容量。紋波幅度隨著輸入電壓而變化，在50%占空比下為最大值。下面是公式3：
其中：Ci,min是最小所需陶瓷輸入電容；?Vi,pp 是最大允許峰-峰輸入紋波電壓；fsw是開關(guān)頻率，而D是上述定義的占空比。
輸入電壓紋波來(lái)源于等效串聯(lián)電阻ESR，可以按照如下公式4估算：
其中：?Vi,ESR是輸入電容器ESR引起的輸入電壓紋波，ESRi 是輸入電容器的ESR，?Ipp 是最大輸出電流紋波。
根據(jù)這些公式，為了降低輸入紋波，可以增加電容或減小輸入電容器的ESR。陶瓷電容器通常具有很低的ESR，并且對(duì)于輸入電壓紋波幾乎沒有影響。
輸入濾波電容器承載電流的AC組成部分，大多數(shù)紋波電流都會(huì)流經(jīng)已經(jīng)放置在模塊中的陶瓷電容器，然而，AC紋波電流的一部分也來(lái)自于輸入總線，而輸入總線大多數(shù)是由外部輸入電容器提供的。因而，注意RMS額定電流不要超出所選擇的外部電容器。
總體RMS電流ICi,RMS分布在外部和內(nèi)部輸入電容器之間，計(jì)算如下公式5：
請(qǐng)留意RMS電流可以通過(guò)愛立信電源設(shè)計(jì)人員(EPD)工具中的同步/相位展開功能來(lái)計(jì)算。
輸出瞬變帶來(lái)的低頻率噪聲
當(dāng)設(shè)計(jì)使用共享的大容量輸入電容器組，并且包括單一或多個(gè)POL模塊的系統(tǒng)時(shí)，第一步是計(jì)算輸入瞬態(tài)電流的幅度，這是通過(guò)計(jì)算每個(gè)POL模塊的輸出瞬變的反射輸入瞬變電流得到的。在計(jì)算每個(gè)模塊的個(gè)別輸入瞬變之后，將它們相加以得到總體瞬變電流。在計(jì)算時(shí)，必需確定所有模塊的最差情形瞬變組合，并且相應(yīng)地處理。通過(guò)以下公式6計(jì)算輸入電流瞬變幅度?Ii：
此處：?Ii是輸入瞬變電流，?Io 是輸出瞬變電流。
接下來(lái)，確定在輸入電容器上的最大允許電壓偏差?Vtr。
這是步驟一計(jì)算的峰值瞬變期間的最大允許下降，下述公式7計(jì)算最小所需輸入電容Ci,tr,min。
此處：Lftotal 是串行濾波器電感加上雜散電感，如果沒有使用濾波器電感電感濾波器，便必需把雜散電感 Lsrc,計(jì)算在內(nèi)。
請(qǐng)留意這個(gè)公式是計(jì)算近似值，它生成的數(shù)值應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是絕對(duì)最小值。選擇電容器數(shù)值以滿足所需總體電容時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮溫度和DC偏壓和紋波電流降額等其它因素的影響，這些因素可能會(huì)降低實(shí)際的數(shù)值。
高頻噪聲
DC-DC轉(zhuǎn)換器中的高頻輸入噪聲是在高頻振鈴過(guò)程中產(chǎn)生，或者與轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的寄生元件有關(guān)。存儲(chǔ)在寄生元件中的能量在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間振蕩或振鈴，這類噪聲通常為數(shù)百M(fèi)Hz。
鋁電解和鉭電容器具有高等效串聯(lián)電阻(ESR)值，因此，通常并不適合解耦POL模塊的噪聲和紋波。然而，它們能夠配合陶瓷電容器組合，用于抑制負(fù)載瞬變引起的較低頻率紋波等其它用途。 對(duì)于高頻衰減，必需選擇針對(duì)紋波電流能力并具有低ESL和低ESR的電容器。為了降低模塊輸入端的高頻電壓尖峰，在模塊的輸入端應(yīng)當(dāng)放置小封裝陶瓷電容器。
在處理高頻開關(guān)紋波和噪聲方面，布局也是很重要的。陶瓷電容器應(yīng)當(dāng)盡可能靠近POL調(diào)節(jié)器，如圖4所示，如果需要，在其后面應(yīng)接著低ESR聚合物和鋁電解電容器。
應(yīng)該通過(guò)使用較寬的跡線或形狀及并行板，最大限度地減小雜散電感。
由于RMS電流將由多個(gè)輸入電容器分享，建議挑選在開關(guān)頻率下，阻抗相比鉭電容和/或鋁電解電容器低很多的陶瓷電容器。這將確保大部分RMS紋波電流將會(huì)流經(jīng)陶瓷電容器，而不會(huì)通過(guò)具有高ESR的鉭電容器和/或鋁電解電容器。
請(qǐng)留意X5R多層陶瓷電容器(MLCC)具有高電容，但是電容會(huì)在50%以上的額定電壓下顯著減小。X7R電容器對(duì)比DC電壓和溫度的典型電容變化如圖5和圖6所示?？梢钥吹?，在-55 °C至 125 °C溫度范圍，X7R電容器僅僅變化±15%。然后，必需找到在寬溫度范圍保持穩(wěn)定性的應(yīng)用。因此，由于X7R具有良好的溫度和電壓系數(shù)，因而是優(yōu)選的介電材料。由于碎裂問(wèn)題，應(yīng)當(dāng)避免MLCC大于1210，還必需觀察電容器制造商的焊接和處理指令。
圖 4. 顯示輸入電容器的放置的BMR 463模塊布局示例
具有超低紋波和噪聲的輸入DC總線
根據(jù)應(yīng)用，有時(shí)設(shè)計(jì)人員會(huì)選擇在分布式總線和開關(guān)調(diào)節(jié)器的輸入之間插入一個(gè)電感器，以防止噪聲耦合進(jìn)入電路板上的其它電路。在這樣的情況下，使用一個(gè)具有小電感和小電容組合的濾波器，就是最節(jié)省成本和空間的最好解耦方法，參見圖7。濾波器電路中的電感器增加了輸入總線的源電阻，選擇電感器的數(shù)值時(shí)，應(yīng)當(dāng)以滿足公式1為準(zhǔn)則。
圖5. X7R電容器對(duì)比DC電壓的典型電容變化
圖6. X7R電容器對(duì)比溫度的典型電容變化
圖7.結(jié)合電感器和電容器組合的濾波器的電路圖
相位展開
當(dāng)多個(gè)POL調(diào)節(jié)器共享一個(gè)DC輸入電源時(shí)，最好是調(diào)節(jié)每個(gè)器件的時(shí)鐘相位偏移，使得各器件的上升邊緣并不一致。為了實(shí)現(xiàn)相位展開，所有轉(zhuǎn)換器都必需根據(jù)相同的開關(guān)時(shí)鐘進(jìn)行同步。
在相位展開電源中，并行調(diào)節(jié)器在特定的相位角度開關(guān)。這些角度均勻地分布，因而可最大限度地消除紋波電流，針對(duì)輸入電容器RMS電流ICi,RMS的通用公式近似這樣：
在上述公式（8）中：m=floor(ND)，floor函數(shù)傳回低于或等于輸入數(shù)值ND的最大整數(shù)，N是有效相位的數(shù)目。
圖8. 常規(guī)化RMS輸入紋波電流對(duì)比占空比
圖8顯示在負(fù)載電流上的正?；斎爰y波電流RMS數(shù)值對(duì)比具有不同有效相位數(shù)目的占空比。
從公式7和公式8看出，輸入紋波電流的消除與相位和占空比的數(shù)目相關(guān)，增加更多相位通常可實(shí)現(xiàn)更大的紋波削減。電容器ESR使得大紋波電流將會(huì)在輸入電容器中引起很高的功耗，也會(huì)縮短電容器的使用壽命。除了減小輸入RMS電流，交錯(cuò)也會(huì)減小峰-峰電流。
輸入電容器的開關(guān)電流通常是高頻噪聲的主要來(lái)源，通過(guò)降低開關(guān)電流幅度可以降低電流轉(zhuǎn)換速率，同時(shí)可為高邊MOSFET提供AC電流，從而減小噪聲。輸入紋波的頻率也高于單相運(yùn)作的頻率。較高的頻率可以減小輸入濾波器的體積和成本。
公式8定義了通過(guò)相位展開將紋波電壓幅度降低至可接受水平所需的輸入電容。
在下面公式（9）中,ΔVi,pp 是輸入電容所貢獻(xiàn)的可接受輸入電壓紋波，這是濾除大部分脈沖電流的輸入電容。
從公式（9）可看出，相位展開可以大幅減小輸入電容需求。
根據(jù)下面公式（10）可以估算出輸入電容器件ESRi 的 ESR所引起的輸入電壓紋波。
文章來(lái)源于電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
