電源開關設計---工作頻率和噪聲


  之前在相關博文中有提及過相關DCDC開關電源相關 知識。在設計電源過程中,最佳的工作頻率是一個重要的參數。對於低頻,往往對應周圍器件的尺寸增大,從而成本也增加。工作頻率高,周圍器件尺寸減小,但是對應的自身損耗也增加。如何 tradeoff?

  1.頻率與周圍器件的關系

image   在上圖中,可以看到當頻率在100Khz時,電感占據主要地位,隨着頻率升高,電感的體積也是在減小的,感值也相應的再減少。輸出端的電容值也是隨頻率升高而降低。輸入端的電容基本上保持不變。

  2.頻率與損耗關系

image   對於半導體器件,損耗包括兩部分,一部分是開關損耗,一部分是傳導損耗,開關損耗隨頻率的升高而升高,傳導損耗不受工作頻率的影響。當開關損耗與傳導損耗相等時,總損耗最低。

  通過以上兩個參數,可以合理的設計電源工作頻率。

  3.電源布局設計---噪聲的來源和降低

  1)運放的輸入與輸出

  在設計電源時,良好的布局可以降低電源噪聲,電源噪聲主要有三種:運算放大器的輸入與輸出,參考電壓和斜坡。如下圖所示:

  image

  運放輸入端可能是電源中最為敏感的點,若要減小噪聲,必須最小化節點長度,並盡可能將反饋和輸入組件靠近運放放置。如果反饋網絡中存在高頻積分內容,最理想的布局是,將反饋電阻放置到靠近運放的輸入端,如果高頻信號注入電阻-電容節點,高頻信號就要承受電阻阻抗,而電容對於高頻的容抗很小。

  2)斜坡

  斜坡通常由電容器充放電引起(電壓模式),或者由電源開關的采樣電流(電流模式)。電壓模式影響不大,因為電容對高頻輸入的信號阻抗很小,但是電流模式卻是個問題。如下圖所示:

image對於上圖中的第一個圖,可以采用IC控制上升沿消隱方法來去除,對於第二個圖,可以采用並聯多個電容的方法去除(主要是因為非充分斜率補償) 。

  4.電源噪聲的解決辦法

  第三點已經提及了幾種引起電壓噪聲的方法,那么在排查電源噪聲的時候,需要從三點入手。

  1)觀察運放的輸出端是否有高頻變化,改變補償組件;

  2)運放的參考電壓,可以選用可靠的電壓源,TL431較常用;

  3)通過改變MOS的柵極電阻也可以對開關波形有一定的作用。


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