【導(dǎo)讀】所有隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器都具有產(chǎn)生電噪聲的開(kāi)關(guān)器件。功率開(kāi)關(guān)器件帶感性負(fù)載時(shí)，比如變壓器，就一定避免不了和功率開(kāi)關(guān)器件的寄生電感或電容產(chǎn)生諧振的情況。在幾百赫茲的中等開(kāi)關(guān)頻率下工作的DC/DC轉(zhuǎn)換器可產(chǎn)生高達(dá)20MHz的噪聲。
這種高頻干擾完全滲透在整個(gè)轉(zhuǎn)換器中，在走線與走線之間穿梭，通過(guò)器件內(nèi)的耦合電容從輸入到輸出之間跳躍。此外，輸出端的脈沖能量的流動(dòng)，在輸出端口呈現(xiàn)出輸出紋波和噪音，同時(shí)該噪音和紋波被變壓器反射到輸入端，形成原邊的紋波電流。該脈沖電流在任何的感性元件中會(huì)產(chǎn)生低頻電壓，例如輸入和輸出的導(dǎo)線、PCB走線的長(zhǎng)度、過(guò)孔或器件引腳。盡管可以通過(guò)在電源的原邊和副邊增加電容來(lái)降低輸入和輸出端電壓紋波，但共模噪聲很難全部濾掉，因?yàn)樗鼈兂霈F(xiàn)在輸入或輸出的兩個(gè)端口，因此濾波器無(wú)法“察覺(jué)”到。（圖1）。
圖1：DC/DC轉(zhuǎn)換器的共模噪聲 (節(jié)選自DC/DC知識(shí)手冊(cè)1)
要設(shè)計(jì)一個(gè)非常低紋波和噪聲的電源需要三個(gè)獨(dú)立的濾波器，每個(gè)濾波器分別處理不同的干擾：
1: 輸出紋波濾波器。該濾波器可減少由變壓器傳輸功率時(shí)引起的脈沖輸出紋波。輸出電容需要吸收每個(gè)開(kāi)關(guān)周期產(chǎn)生的脈沖電流。在功率傳輸周期的間隙時(shí)間，輸出電容必須給負(fù)載提供能量。輸出電容上的電壓隨著每個(gè)開(kāi)關(guān)周期上升和下降，因而具有鋸齒波形狀的圖表特征（圖2）。
圖2：DC/DC轉(zhuǎn)換器的典型輸出紋波和噪聲波形
功率晶體管每次導(dǎo)通（Vce快速下降）或關(guān)閉（Vce快速上升）時(shí)由諧振引起的高頻開(kāi)關(guān)噪聲疊加在該鋸齒波上。因此，高頻噪聲與開(kāi)關(guān)周期的波峰和波谷是同步的。
2: 輸入紋波濾波器。功率晶體管每次導(dǎo)通時(shí)輸入電流迅速上升，每次關(guān)閉時(shí)電流會(huì)迅速下降。輸入電容是不能濾除疊加了共模噪聲的紋波電流，但電源輸入端的噪聲通常會(huì)低于輸出端的噪聲，這是因?yàn)殡娫吹脑吺堑妥杩乖?，吸收了很多高頻率噪聲。典型的輸入反射交流紋波電流如圖3所示。
圖3：反射紋波電流
3. 變壓器是跨接在輸入和輸出之間的高阻抗源，因此開(kāi)關(guān)噪聲可以輕易地通過(guò)變壓器繞組之間的層間電容耦合在變壓器上。若要降低該噪聲，可以在隔離帶上安裝一個(gè)電容以在輸出和輸入之間提供一條低阻抗的路徑。
我們的任務(wù)是設(shè)計(jì)出一個(gè)輸出紋波和噪聲小于5mVp-p的隔離電源。在測(cè)量非常小的信號(hào)和高靈敏度放大器電路或高分辨率信號(hào)處理應(yīng)用中，如24位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，就需要這種平滑的電源。
我們使用了R1ZX-0505 DC/DC轉(zhuǎn)換器，輸出經(jīng)由板載線性穩(wěn)壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣可以提供僅30mVp-p的低噪聲輸出。
第一步是在-Vout和+ Vin之間添加一個(gè)2nF電容。相對(duì)于變壓器的100pF耦合電容，2nF電容的返回路徑提供了更低的阻抗。該器件能大幅度降低輸出噪聲，但對(duì)輸入或輸出紋波的影響不大。
第二步是在輸入和輸出回路中增加電容。兩個(gè)10μFMLCC并聯(lián)以降低ESR并安裝在輸入和輸出的兩端。結(jié)果是輸入和輸出紋波大幅減少，但輸出端的共模噪聲仍然十分明顯。輸出波形如圖4所示。
我們現(xiàn)在需要做的就是過(guò)濾掉這些高頻開(kāi)關(guān)尖峰，但是它們不容易被濾掉因?yàn)樗鼈兪枪材５母蓴_，因此增加更多電容或LC濾波器不會(huì)有任何效果。
圖4：加抑制電容的輸入和輸出紋波波形
我們用共模樣品盒嘗試了不同的共模電感組合，直到找到最佳的解決方案。輸入需要用50uH的扼流圈和一對(duì)電容形成Pi型濾波器。即使線性穩(wěn)壓器的CMRR很高，仍然需要嚴(yán)格控制輸入紋波。在輸出端放置一個(gè)類似的共模Pi濾波器，但最后發(fā)現(xiàn)一個(gè)10μH的扼流圈就已足夠了（圖5和圖6）。
圖五：完整的濾波器設(shè)計(jì)
未濾波輸出（僅用C3）
濾波輸出（帶共模扼流圈）
圖六：濾波前后的輸出波形（相同比例）
結(jié)論: 使用共模濾波器測(cè)量滿載時(shí)的輸出紋波和噪聲約為2mVp-p。更改任何器件的參數(shù)值會(huì)使數(shù)據(jù)變得更糟，因此這是最小的值。完整的濾波電路可能看起來(lái)比較復(fù)雜，但是要想濾掉所有不同的干擾源獲得出色的低噪聲電源（-68dB）就必須要這樣設(shè)計(jì)。濾波電路所使用的器件體積很小，因此僅需占用很小的電路板空間。
免責(zé)聲明：本文為轉(zhuǎn)載文章，轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息，版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題，請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。
推薦閱讀：
LTCC應(yīng)用于基板、天線、高密度封裝及功能器件等領(lǐng)域
