开关稳压器

一般而言,与低压差(LDO)稳压器输出相比,人们认为传统开关稳压器的输出电压噪声很大。然而,LDO电压会引起严重的额外热问题,并使得电源设计更加复杂。全面认识开关稳压器噪声很有必要,有助于设计低噪声开关解决方案,使之产生与LDO稳压器相当的低噪声性能。本文分析和评估的目标是采用电流模式控制的降压稳压器,因为它在应用中很常用。信号分析是了解开关纹波噪声、当前宽带噪声特性(及其来源)、开关引起的高频尖峰噪声的主要法。本文将讨论开关稳压器PSRR(电源抑制比,其对输入噪声抑制很重要)以及信号分析方法。

开关纹波噪声

本部分依据基波和谐波理论介绍降压转换器输出纹波计算公式。根据开关稳压器拓扑结构和基本操作,纹波始终是开关稳压器中的主要噪声,因为峰峰值电压幅度一般为几mV到几十mV。它应被视为周期性且可预测的信号。如果以固定开关频率工作,则在时域中通过示波器,或在频域中通过傅立叶分解,很容易将其识别并进行测量。

图1所示为典型的降压稳压器。两个开关交替接通和断开,因此SW节点电压VSW是一个理想的方波,此特性进而传递到占空比和输入电压。VSWVSW可以用下面的公式表示:

“全面了解不同类型的噪声,这很有必要!"

“图1.
图1. 降压稳压器拓扑

其中:
VIN为输入电压。D为占空比;对于降压稳压器,其等于 VOUT/VIN

VIN 确定后,The VSW基波和谐波成分仅取决于占空比。图2显示了与占空比相关的 VSW基波和谐波幅度。当占空比接近一半时,纹波幅度以基波为主。

“图2.
图2. 降压稳压器 VSWW幅度与占空比的关系

降压稳压器输出LC级传递函数如下:

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其中,L为输出电感值,DCR为电感电阻值,CL为电感并联电容值。

COUT为输出容量值。ESL为电容串联电感值。ESR为电容串联电阻值。

因此,VOUT可表示如下:

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为了简化计算,我们假设输出LC级为20 dB/十倍频程,然后是与占空比相关的VOUT纹波基波和谐波幅度,如图3所示。当占空比接近一半时,三次或奇数次谐波将高于偶数次谐波。由于LC抑制,较高的谐波将具有较低的幅度,并且与总纹波幅度相比,其比例非常小。同样,基波幅度是开关稳压器输出纹波中的主要成分。

“
图3. 降压稳压器VOUT纹波幅度与占空比的关系

对于降压稳压器,基波幅度与输入电压、占空比、开关频率和LC级有关;但是,所有这些参数都会影响应用要求,如效率和解决方案尺寸等。为了进一步降低纹波,建议增加后置滤波器。

宽带噪声

开关稳压器中的宽带噪声是输出电压上的随机幅度噪声。它可以用整个频率范围内的噪声密度来表示,单位为 V/√Hz z,或用Vrms来表示,其与频率范围内的密度不可分。由于硅工艺和基准电压源滤波器设计的限制,宽带噪声主要位于开关稳压器的10Hz至1MHz频率范围内,在低频范围内很难通过增加滤波器来将其降低。

典型降压稳压器宽带噪声峰峰值幅度电压约为100μV至1000μV,远低于开关纹波噪声。如果使用额外的滤波器来降低开关纹波噪声,则宽带噪声可能成为开关稳压器输出电压的主要噪声。图4显示了当没有额外滤波器时,降压稳压器输出噪声的主要来源是开关纹波。图5显示了当使用额外滤波器时,输出噪声的主要来源是宽带噪声。

“图4.
图4. 无额外滤波器的VOUT

“图5.
图5. 有额外滤波器的VOUT(使用1000倍前置放大器进行测量)

为了识别和分析开关稳压器输出宽带噪声,必须获得稳压器控制方案和模块噪声信息。例如,图6显示了典型的电流模式降压稳压器控制方案和模块噪声源注入。

“图6.
图6. 典型电流模式降压稳压器控制方案

对于获得的控制环路传递函数和模块噪声特性信息,有两种不同的噪声:环路输入噪声和环内噪声。控制环路带宽内的环路输入噪声会传输到输出,而环路带宽之外的噪声会被衰减。对于开关稳压器,设计低噪声EA和基准电压源至关重要,因为单位反馈增益会保持噪声水平不变,而不是随着输出电压电平增加而提高它。最大的挑战是找出整个系统中最大的噪声源,并在电路设计中降低该噪声。ADP5014针对低噪声技术进行了优化,采用电流模式控制方案和一个简单的LC外部滤波器,在10Hz至1MHz频率范围内实现了低于20μVrms的噪声性能。ADP5014的输出噪声性能如图7所示。

“图7.
图7. 采用额外LC滤波器的ADP5014输出噪声性能。

高频尖峰和振铃

第三类噪声是高频尖峰和振铃噪声,因为输出电压是由开关稳压器导通或关断瞬变产生的。考虑硅电路和PCB走线中的寄生电感和电容;对于降压稳压器,快速电流瞬变将在SW节点处引起高频电压尖峰和振铃。尖峰和振铃噪声会随着电流负载的提高而提高。图8显示了降压稳压器如何形成尖峰。根据开关稳压器的导通/关断压摆率,最高尖峰和振铃频率将在20MHz至300MHz范围内,受寄生电感和电容影响,输出LC滤波器在抑制方面可能不是非常有效。与上述关于传导路径的所有讨论相比,最差的是来自SW和VIN节点的辐射噪声,由于其频率非常高,输出电压和其他模拟电路会受到影响。

“图8.
图8. 降压稳压器高频尖峰和振铃噪声

为了降低高频尖峰和振铃噪声,建议采用有效方法实施应用和芯片设计。首先,在终端负载上应使用额外的LC滤波器或磁珠。通常,这会使输出上的尖峰噪声远小于纹波噪声,但会增加更高频率的成分。其次,应屏蔽SW和输入节点的噪声源或让其远离输出侧及敏感模拟电路,并且屏蔽输出电感。精心布局和布线对设计很重要。第三,优化开关稳压器的导通/关断压摆率,并尽量减小开关稳压器的寄生电感和电阻,从而有效降低SW节点噪声。ADISilentSwitchr®技术也有助于通过芯片设计降低VIN节点噪声。

开关稳压器PSRR

PSRR反映开关稳压器抑制输入电源噪声传输到输出的能力。本部分分析低频范围内的降压稳压器PSRR性能。高频噪声影响输出电压主要是通过辐射路径,而不是通过前面讨论的传导路径。

根据图9所示的降压小信号图,降压PSRR可以表示如下:

“全面了解不同类型的噪声,这很有必要!"

“图9.
图9. 从输入电压到输出的电流模式降压小信号图。

其中:

“全面了解不同类型的噪声,这很有必要!"

将信号模式计算与仿真结果进行比较。小信号模式是有效的,与仿真结果一致。

T开关稳压器的PSRR性能取决于低频范围内的环路增益性能。开关稳压器的固有LC滤波器可以抑制中频范围(100Hz至10MHz)内的输入噪声。此范围内的抑制性能比LDO PSRR好得多。因此,开关稳压器具有理想的PSRR性能,因为其在低频时具有高环路增益,而固有LC滤波器会影响中频范围。

“图10.
图10. 采用降压小信号模式的PSRR计算结果

“图11.
图11. SIMPLIS模式的PSRR仿真

结论

越来越多的模拟电路,如ADC/DAC、时钟和PLL等,需要干净的能提供高电流的电源。每个器件对不同频率范围内的电源噪声都有不同的要求和规格。有必要全面了解不同类型的开关稳压器噪声并认知电源噪声要求,从而设计和实现高效率、低噪声开关稳压器,以满足大多数模拟电路电源的低噪声规格。与LDO稳压器相比,这种低噪声开关解决方案将有更高的功效比、更小的解决方案尺寸和更低的成本。

来源: 亚德诺半导体
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瑞萨电子集团今日宣布推出一款支持旁路模式的柔性升降压开关稳压器——ISL9122A,可提供超低静态电流(IQ),适用于为传感器、微控制器(MCU)、无线设备及其它系统组件供电。ISL9122A支持1.8V至5.5V电池供电,可延长纽扣电池、锂电池和多串联碱性电池组供电的智能物联网设备电池使用寿命。目标应用包括无线耳机、健身设备、智能手表、水表与燃气表、便携式医疗设备以及各种电池供电的智能物联网设备。

ISL9122A升降压开关稳压器带有I2C接口,可编程的25mV步进实现动态电压调整(DVS),以优化系统功耗。该稳压器的最大输出电压可达5.375V,从而在整个电池电压范围内最大程度提高带有RF功能的物联网设备的性能。其PFM和PWM功能可在整个输出电流范围内实现效率最大化。在强制PWM模式下,该稳压器始终保持2.5MHz的开关频率,以改善系统EMI性能。

瑞萨电子移动、基础设施及物联网电源事业部副总裁Andrew Cowell表示:“随着物联网无线连接应用的爆炸式增长,ISL9122A升降压稳压器从空载至满载的快速响应性能,非常适合为新一代设备供电。我们的客户对ISL9122A的灵活性、动态电压调整和业界极低的静态功耗非常满意。”

ISL9122A升降压稳压器与最近发布的ISL9123降压稳压器这两款超低IQ开关稳压器均可为瑞萨8/16位超低功耗MCU RL78产品家族、搭载Arm® Cortex®-M 内核的32位MCU RA 产品家族以及适用于可穿戴设备和能量采集应用的嵌入式控制器RE产品家族供电。

支持旁路模式的ISL9122A升降压稳压器的关键特性

  • 超低IQ <1.3 µA 和较低的7nA关机电流,延长电池寿命
  • 轻载时可实现高效率(84% @ 10 µA),峰值效率为97%,以减少功耗和温升
  • 自动和可选的直通模式降低了IQ
  • 1.8V至5.5V的宽输入电压范围,适用于多种电池供电的应用
  • 可调输出电压范围达1.8V至5.375V,步长值为25mV
  • 最大输出电流可达500mA(Vout=3.3V,Vin=3.6V)
  • 采用1.8mmx1.0mm WLCSP或3mmx2mm DFN超小尺寸封装,节省电路板空间
  • 仅需三个外部组件:电感、输入电容和输出电容
  • 全面的过电流、短路和过热保护

供货信息

ISL9122A现可从瑞萨电子全球分销商处购买,每1,000片批量时价格为每片0.89美元(8引脚DFN封装)和每片0.78美元(8焊点WLCSP封装)。了解更多信息,请访问 www2.renesas.cn/products/ISL9122A 。

瑞萨还提供两款ISL9122A评估板,用于设计人员评估该产品的功能与性能。具有3.3V默认输出(DFN)的ISL9122AIRN-EVZ和具有3.3V默认输出(WLCSP)的ISL9122AIIN-EVZ,价格均为70美元。

关于瑞萨电子集团

瑞萨电子集团 (TSE: 6723) ,提供专业可信的创新嵌入式设计和完整的半导体解决方案,旨在通过使用其产品的数十亿联网智能设备改善人们的工作和生活方式。作为全球领先的微控制器供应商、模拟功率器件和SoC产品的领导者,瑞萨电子为汽车、工业、家居、基础设施及物联网等各种应用提供综合解决方案,期待与您携手共创无限未来。更多信息,敬请访问renesas.com。关注瑞萨电子微信公众号领英官方账号,发现更多精彩内容。

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意法半导体 A7987 汽车开关稳压器宽输入电压,适用于卡车和大型客车,输出电压可调,灵活多用,性能稳定,可为车身信息娱乐和远程信息服务等汽车应用中的多种电压轨供电。

A7987的最大输入电压为61V,电源可以使用传统或混动/电动车辆中的24V汽车电池,即使出现甩负荷等干扰的情况也能保持稳压输出。输出电压调节范围0.8V至输入电压,低压差,可为从逻辑控制到照明的各种负载提供高达3A的输出电流。

通过外部下拉电阻设置电流限值和开关频率(最高1.5MHz),设计人员可以创建尺寸紧凑的电源模块,优化输出电感尺寸。采用逐脉冲电流检测和数字频率折折返方法,最大限度降低短路对功率元件的应力,提高稳压器的可靠性。内置热保护功能,能够过热关断并自动恢复,可最大限度降低对外部干预的依赖。

A7987内置一个低电阻N沟道功率MOSFET管,在低负载时,以脉冲跨周期调制方式控制开关保持稳压输出,偏置电压输入引脚集成电源切换功能,可使用外部电源为模拟电路供电,实现最佳的能效。

同步引脚支持多达五个稳压器以异相开关方式共存,避免噪声影响,并降低输入电容中的RMS电流;利用使能引脚和可调延迟的电源就绪指示器可以控制上电顺序;还有一个用于限制浪涌电流的可调节的软启动功能。

A7987开关稳压器已通过AEC-Q100认证,现已投入生产。

为加快基于A7987的新项目开发,意法半导体还发布了STEVAL-ISA207V1评估板,现在可从 www.st.com 或代理商处购买。

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