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無噪聲電源的設(shè)計分析

鉅大LARGE  |  點擊量:789次  |  2020年06月18日  

無噪聲電源并非是偶然設(shè)計出來的。一種好的電源布局是在設(shè)計時最大程度的縮短實驗時間?;ㄙM數(shù)分鐘甚至是數(shù)小時的時間來仔細查看電源布局,便可以省去數(shù)天的故障排查時間。


圖1顯示的是電源內(nèi)部一些重要噪聲敏感型電路的結(jié)構(gòu)圖。將輸出電壓與一個參考電壓進行比較以生成一個誤差信號,然后再將該信號與一個斜坡相比較,以生成一個用于驅(qū)動功率級的pWM(脈寬調(diào)制)信號。


電源噪聲重要來自三個地方:誤差放大器輸入與輸出、參考電壓以及斜坡。對這些節(jié)點進行精心的電氣設(shè)計和物理設(shè)計有助于最大程度地縮短故障診斷時間。一般而言,噪聲會與這些低電平電路電容耦合。一種卓越的設(shè)計可以確保這些低電平電路的緊密布局,并遠離所有開關(guān)波形。接地層也具有屏蔽用途。


圖1低電平控制電路的諸多噪聲形成機會


誤差放大器輸入端可能是電源中最為敏感的節(jié)點,因為其通常具有最多的連接組件。假如將其與該級的極高增益和高阻抗相結(jié)合,后患無窮。在布局過程中,您必須最小化節(jié)點長度,并盡可能近地將反饋和輸入組件靠近誤差放大器放置。假如反饋網(wǎng)絡(luò)中存在高頻積分電容,那么您必須將其靠近放大器放置,其他反饋組件緊跟其后。并且,串聯(lián)電阻-電容也可能形成補償網(wǎng)絡(luò)。最理想的結(jié)果是,將電阻靠近誤差放大器輸入端放置,這樣,假如高頻信號注入該電阻-電容節(jié)點時,那么該高頻信號就不得不承受較高的電阻阻抗—而電容對高頻信號的阻抗則很小。


斜坡是另一個潛在的會帶來噪聲問題的地方。斜坡通常由電容器充電(電壓模式)生成,或由來自于電源開關(guān)電流的采樣(電流模式)生成。通常,電壓模式斜坡并不是一個問題,因為電容對高頻注入信號的阻抗很小。而電流斜坡卻較為棘手,因為存在了上升邊沿峰值、相對較小的斜坡振幅以及功率級寄生效應(yīng)。


圖2顯示了電流斜坡存在的一些問題。第一幅圖顯示了上升邊沿峰值和隨后出現(xiàn)的電流斜坡。比較器(根據(jù)其不同速度)具有兩個電壓結(jié)點(potentialtrippoints),結(jié)果是無序控制運行,聽起來更像是煎熏肉的聲音。


利用控制IC中的上升邊沿消隱可以很好地解決這一問題,其忽略了電流波形的最初部分。波形的高頻濾波也有助于解決該問題。同樣也要將電容器盡可能近地靠近控制IC放置。正如這兩種波形表現(xiàn)出來的那樣,另一種常見的問題是次諧波振蕩。這種寬-窄驅(qū)動波形表現(xiàn)為非充分斜率補償。向當前斜坡新增更多的電壓斜坡便可以解決該問題。


圖2兩種常見的電流模式噪聲問題


盡管您已經(jīng)相當仔細地設(shè)計了電源布局,但是您的原型電源還是存在噪聲。這該怎么辦呢?首先,您要確定消除不穩(wěn)定因素的環(huán)路響應(yīng)不存在問題。有趣的是,噪聲問題可能會看起來像是電源交叉頻率上的不穩(wěn)定。但真正的情況是該環(huán)路正以其最快響應(yīng)速度糾出注入誤差。同樣,最佳方法是識別出噪聲正被注入下列三個地方之一:誤差放大器、參考電壓或斜坡。您只需分步解決便可!


第一步是檢查節(jié)點,看斜坡中是否存在明顯的非線性,或者誤差放大器輸出中是否存在高頻率變化。假如檢查后沒有發(fā)現(xiàn)任何問題,那么就將誤差放大器從電路中取出,并用一個清潔的電壓源加以代替。這樣您應(yīng)該就能夠改變該電壓源的輸出,以平穩(wěn)地改變電源輸出。假如這樣做奏效的話,那么您就已經(jīng)將問題范圍縮小至參考電壓和誤差放大器了。


有時,控制IC中的參考電壓易受開關(guān)波形的影響。利用添加更多(或適當)的旁路可能會使這種狀況得到改善。另外,使用柵極驅(qū)動電阻來減緩開關(guān)波形也可能會有助于解決這一問題。假如問題出在誤差放大器上,那么降低補償組件阻抗會有所幫助,因為這樣降低了注入信號的振幅。假如所有這些方法都不奏效,那么就從印刷電路板將誤差放大器節(jié)點去除。對補償組件進行架空布線(airwiring)可以幫助我們識別出哪里有問題。


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