通过电源模块降低电源噪声的3种方法

当今的高精度模拟信号链系统需要直流/直流开关稳压器产生稳压电源轨，为低噪声应用中的模数转换器(ADC)、数模转换器(DAC)、现场可编程门阵列(FPGA)及其子系统供电。尽管直流/直流开关稳压器具有高工作效率，它们的开关操作会导致较大的不连续电流，从而产生较高的输入和输出电压纹波、频率尖峰和宽带噪声。如果不将这些不连续电流控制在ADC或DAC的最低有效位毫伏范围内，它会影响系统精度。

本文主要介绍降压电源模块降低噪声的三种方法：通过集成模块设计消除寄生效应，通过频率同步降低不良拍频和误差，以及通过相位交错降低输入纹波电流和输出电压纹波。如图1所示，具有所有三种功能的直流/直流降压电源模块可以显著降低低噪声应用中电源的噪声。

图1: 用于降低噪声的直流/直流降压模块理想特性维恩图

通过集成模块设计消除寄生效应

开关电源的大多数噪声问题都与设计中的寄生元件有关。使用直流/直流开关稳压器时，必须添加外部元件（例如输入电容器、电感器和输出电容器）来形成闭环。将这些外部元件放在电路板上远离开关稳压器的位置时，会导致VIN和SW节点上产生电路板寄生效应。这类寄生效应会产生一个高瞬态电流(di/dt)环路，如图2所示。如果开关期间电流突然接通或断开，环路中会产生高频振铃（开关噪声）。

集成控制器、FET、电感和旁路电容的降压电源模块采用优化布局设计，可帮助更大程度减少此类电路板寄生效应。降压电源模块的高级封装结构使集成的旁路电容器更接近VIN和VOUT引脚，而且电感的位置更接近SW节点（在某些情况下，以3D结构样式放置在转换器顶部）。内部元件的总体布局和布线设计可以减少高di/dt环路面积和瞬态电压(dv/dt)节点面积，从而更大程度减小输入和输出纹波电压。

图2：分立式转换器(a)与降压电源模块(b)的di/dt环路

通过频率同步降低不良拍频和误差

在同一应用中设计多个开关转换器时，如何降低输入和输出噪声是一项挑战。当转换器的开关频率随输入电压和输出负载变化时，情况更加复杂。即使每个转换器都在固定频率下工作，不同转换器的频率容差也会导致不良拍频（开关频率之差）。

为了克服开关频率误差和拍频的问题，一些降压电源模块提供了一个外部SYNC引脚，可将一个或多个稳压器同步到一个共同的系统时钟来协同工作。如图3所示，将所有模块与外部时钟同步可以降低特定系统时钟频率下的输入电流和电压纹波，从而进一步减少对噪声滤波的需要，并降低模块的总电容值。将所有降压电源模块与中央系统时钟同步，也可以防止该模块干扰整个系统的敏感模拟或数字部分。

图3：与系统时钟同步的两个降压电源模块

通过相位交错降低输入纹波电流和输出电压纹波

同步所有降压电源模块有助于降低噪声并避免拍频，但有时会对输入电容器产生应力。在同步系统中，所有降压稳压器都会在系统时钟开始时产生脉冲电流，这会导致较大的均方根电流，从而对输入电容器产生热应力。它也会导致系统中的噪声峰值。

为了解决这个问题，可以考虑相位交错，即在系统时钟周期内，使时钟沿在不同时间延迟到达不同的降压电源模块。这样一来，在无相移和有相移两种配置下（如图4所示），输入端对脉冲电流的需求会发生时间上的偏移。这一措施可降低特定频率下的输入电流和输出电压纹波，从而减少噪声滤波的工作量。

图4：具有180度相移的同步TPSM41625模块

结束语

低噪声开关电源有很多种。如果您喜欢使用模块并知道需要哪一种，则可以有效地降低电源噪声。在为ADC、DAC和FPGA设计下一代低噪声多轨电源时，请考虑选择具有频率同步和相位交错的降压电源模块。

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