理解输出电压纹波和噪声二：高频噪声分量的来源和抑制

1万 · 2020-9-7 08:02

第一部分：输出电压噪声

输出电压波形中除了开关频率分量的纹波以外，还存在高频噪声分量，如图1所示。高频噪声是如何形成的呢？主要是由电路中的寄生参数造成的。在实际电路中，PCB走线存在寄生电感和电阻，输入输出电容会引入寄生电感和电阻，两个不同电位的平面之间会形成寄生电容。以Buck电路为例，上下管切换的瞬间，输入回路中的寄生电感与开关管的输出电容谐振。因此，开关节点SW在上升和下降沿会产生高频振荡，且寄生参数越大，振荡的幅度也越大，甚至损坏开关管。该高频振荡会通过SW节点与输出VOUT之间的寄生电容耦合到输出电压，也就是输出电压中的高频噪声。

图1. Buck电路的寄生参数

1万 · 2020-9-7 08:26

第二部分：输出电压噪声的抑制

了解高频噪声的来源和耦合途径，可以帮助我们有针对性地抑制输出电压噪声。下面分别介绍如何通过噪声源和耦合途径来抑制输出电压噪声。

针对噪声源，有如下几种抑制方法：

PCB布板时尽量减小输入高di/dt回路

Buck电路的输入回路由输入电容CIN, 上管HS和下管LS组成。 HS和LS的开关动作导致输入环路电流的非连续性，引起SW电压的振荡。输入环路越大，振荡越严重，开关管的电压应力越大。将输入电容尽可能靠近HS和LS，保证输入环路尽最小，可有效降低开关节点SW的振荡，如图2所示。

图2. 输入电容位置对输出电压噪声的影响

使用TI HotRod 封装产品

HotRod 封装技术将芯片内部的die倒置，通过铜柱直接连接die 和lead frame，消除了使用wire bond引入的寄生电感，减小SW节点的振荡，例如LMR33630。另外，如图4所示，HotRod封装有两个电源VIN引脚和两个接地GND引脚，分别位于封装的两端。这种引脚分配可以减少VIN和GND回路造成的寄生环路电感。如果在器件的两边都有对称布局的输入电容，等效寄生回路电感则会减半（两个相等的并联电感）。这可以有效地减少高的di/dt 产生的噪声，相当于高频滤波。

图3. TI Hotrod 封装技术

图4. LMR33630 对称输入降低

使用TI电源模块产品

由于Layout的限制，输入电容无法无限靠近Buck 芯片。TI的电源模块产品集成高频输入电容和电感，进一步减小输入回路和SW节点的面积，降低噪声，如图5所示。

图5. TI电源模块产品

针对耦合途径，有如下几种抑制方法：

选择寄生电容较小的电感

理想电感对高频噪声呈现很大的阻抗，因此输出电压中的噪声很小。但是，实际电感存在寄生电容，噪声会通过耦合电容，耦合到输出电压。因此，选择耦合电容较小的电感，在一定程度上可抑制输出电压噪声。

图6.噪声耦合途径

并联高频滤波电容

直观地理解，输出电压噪声等于SW噪声在输出电容阻抗和输出电感阻抗的分压。也就是说，输出电容在噪声频率处的阻抗越小，耦合到输出的噪声就越小。但是，多个电容并联后，输出电容的阻抗曲线会存在多个谐振点。如图7所示，增加高频电容后，在谐振点处，阻抗最小; 谐振点之前，阻抗变大; 谐振点之后，阻抗变小。因此，并非增加高频电容就一定能减小输出噪声。噪声频率位于谐振点处，输出噪声最小。如图8所示，增加220pF的电容，电压噪声反而增加了。因此，选择合适的输出电容至关重要。

图7.输出并联高频滤波电容的阻抗特性

图8. 不同电容对输出电压噪声的影响

综上所述，理解输出电压噪声的形成原理，根据实际应用要求，选择先进的封装技术/电源模块产品、优化PCB布局、增加滤波电容可有效降低输出电压噪声，满足应用需求。