简介
一般来说，与低压差(LDO)稳压器输出比较，人们认为传统开关稳压器的输出电压噪声很大。可是，LDO电压会引起严峻的额定热问题，并使得电源规划愈加杂乱。全面知道开关稳压器噪声很有必要，有助于规划低噪声开关解决计划，使之发生与LDO稳压器适当的低噪声功能。本文剖析和评价的方针是选用电流形式操控的降压稳压器，由于它在运用中最常用。信号剖析是了解开关纹波噪声、当时宽带噪声特性（及其来历）、开关引起的高频尖峰噪声的首要办法。本文将评论开关稳压器PSRR（电源按捺比，其对输入噪声按捺很重要）以及信号剖析办法。
开关纹波噪声
本部分依据基波调和波理论介绍降压转换器输出纹波核算公式。
依据开关稳压器拓扑结构和根本操作，纹波始终是开关稳压器中的首要噪声，由于峰峰值电压起伏一般为几mV到几十mV。它应被视为周期性且可猜测的信号。假如以固定开关频率作业，则在时域中经过示波器，或在频域中经过傅立叶分化，很简略将其辨认并进行丈量。
图1.降压稳压器拓扑
图1所示为典型的降压稳压器。两个开关替换接通和断开，因而SW节点电压VSW是一个抱负的方波，此特性然后传递到占空比和输入电压。VSW能够用下面的公式表明：
其间：
VIN为输入电压。D为占空比；关于降压稳压器，其等于VOUT/VIN。
VIN确认后，VSW基波调和波成分仅取决于占空比。图2显现了与占空比相关的VSW基波调和波起伏。当占空比挨近一半时，纹波起伏以基波为主。
图2.降压稳压器VSW起伏与占空比的联系
降压稳压器输出LC级传递函数如下：
其间，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。
因而，VOUT可表明如下：
为了简化核算，咱们假定输出LC级为20 dB/十倍频程，然后是与占空比相关的VOUT纹波基波调和波起伏，如图3所示。当占空比挨近一半时，三次或奇数次谐波将高于偶数次谐波。由于LC按捺，较高的谐波将具有较低的起伏，而且与总纹波起伏比较，其份额十分小。相同，基波起伏是开关稳压器输出纹波中的首要成分。
图3.降压稳压器VOUT纹波起伏与占空比的联系
关于降压稳压器，基波起伏与输入电压、占空比、开关频率和LC级有关；可是，一切这些参数都会影响运用要求，如功率和解决计划尺度等。为了进一步下降纹波，主张添加后置滤波器。
宽带噪声
开关稳压器中的宽带噪声是输出电压上的随机起伏噪声。它能够用整个频率规模内的噪声密度来表明，单位为V/
，或用V rms来表明，其与频率规模内的密度不可分。由于硅工艺和基准电压源滤波器规划的约束，宽带噪声首要坐落开关稳压器的10 Hz至1 MHz频率规模内，在低频规模内很难经过添加滤波器来将其下降。
典型降压稳压器宽带噪声峰峰值起伏电压约为100μV至1000μV，远低于开关纹波噪声。假如运用额定的滤波器来下降开关纹波噪声，则宽带噪声或许成为开关稳压器输出电压的首要噪声。图4显现了当没有额定滤波器时，降压稳压器输出噪声的首要来历是开关纹波。图5显现了当运用额定滤波器时，输出噪声的首要来历是宽带噪声。
图4.无额定滤波器的VOUT
图5.有额定滤波器的VOUT（运用1000倍前置放大器进行丈量）
为了辨认和剖析开关稳压器输出宽带噪声，有必要取得稳压器操控计划和模块噪声信息。例如，图6显现了典型的电流形式降压稳压器操控计划和模块噪声源注入。
图6.典型电流形式降压稳压器操控计划
关于取得的操控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。操控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。关于开关稳压器，规划低噪声EA和基准电压源至关重要，由于单位反应增益会坚持噪声水平不变，而不是跟着输出电压电平添加而进步它。最大的应战是找出整个体系中最大的噪声源，并在电路规划中下降该噪声。ADP5014针对低噪声技能进行了优化，选用电流形式操控计划和一个简略的LC外部滤波器，在10 Hz至1 MHz频率规模内完成了低于20μV rms的噪声功能。ADP5014的输出噪声功能如图7所示。
图7.选用额定LC滤波器的ADP5014输出噪声功能
高频尖峰和振铃
第三类噪声是高频尖峰和振铃噪声，由于输出电压是由开关稳压器导通或关断瞬变发生的。考虑硅电路和PCB走线中的寄生电感和电容；关于降压稳压器，快速电流瞬变将在SW节点处引起高频电压尖峰和振铃。尖峰和振铃噪声会跟着电流负载的进步而进步。图8显现了降压稳压器怎么构成尖峰。依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20 MHz至300 MHz规模内，受寄生电感和电容影响，输出LC滤波器在按捺方面或许不是十分有用。与上述关于传导途径的一切评论比较，最差的是来自SW和VIN节点的辐射噪声，由于其频率十分高，输出电压和其他模仿电路会受到影响。
图8.降压稳压器高频尖峰和振铃噪声
为了下降高频尖峰和振铃噪声，主张选用有用办法施行运用和芯片规划。首要，在终端负载上应运用额定的LC滤波器或磁珠。一般，这会使输出上的尖峰噪声远小于纹波噪声，但会添加更高频率的成分。其次，应屏蔽SW和输入节点的噪声源或让其远离输出侧及灵敏模仿电路，而且屏蔽输出电感。精心布局和布线对规划很重要。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，然后有用下降SW节点噪声。ADI Silent Switcher®技能也有助于经过芯片规划下降VIN节点噪声。
开关稳压器PSRR
PSRR反映开关稳压器按捺输入电源噪声传输到输出的才能。本部分剖析低频规模内的降压稳压器PSRR功能。高频噪声影响输出电压首要是经过辐射途径，而不是经过前面评论的传导途径。
图9.从输入电压到输出的电流形式降压小信号图
依据图9所示的降压小信号图，降压PSRR能够表明如下：
其间：
Fm为斜率增益
Fg为操控输入电压
Rcs为电流检测增益
Zo(s)为输出电容和负载
Tv(s)为环路传递函数
图10.选用降压小信号形式的PSRR核算成果
图11.SIMPLIS形式的PSRR仿真
将信号形式核算与仿真成果进行比较。小信号形式是有用的，与仿真成果共同。
开关稳压器的PSRR功能取决于低频规模内的环路增益功能。开关稳压器的固有LC滤波器能够按捺中频规模（100 Hz至10 MHz）内的输入噪声。此规模内的按捺功能比LDO PSRR好得多。因而，开关稳压器具有抱负的PSRR功能，由于其在低频时具有高环路增益，而固有LC滤波器会影响中频规模。
定论
越来越多的模仿电路，如ADC/DAC、时钟和PLL等，需求洁净的能供给高电流的电源。每个器材对不同频率规模内的电源噪声都有不同的要求和标准。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，然后规划和完成高功率、低噪声开关稳压器，以满意大多数模仿电路电源的低噪声标准。与LDO稳压器比较，这种低噪声开关解决计划将有更高的成效比、更小的解决计划尺度和更低的本钱。
参考资料
Glenn Morita。“可调理输出低压差稳压器的降噪网络”。《模仿对话》，第48卷，2014年。
Glenn Morita。运用笔记AN-1120：低压差(LDO)稳压器的噪声源。ADI公司，2011年
Matthew Felmlee。运用笔记AN-1066：低噪声时钟AD9523、AD9524和AD9523-1的电源考虑。ADI公司，2017年
Rob Reeder。技能文章。“高速ADC的电源规划”，ADI公司，2012年
作者简介
Leo Liu 于 2005 年参加ADI公司，在我国出售团队担任现场运用工程师。2011年，他参加电源办理产品部分，担任运用工程师，自此以后一向担任PMU产品运用。他结业于浙江大学，2001年和2004年别离取得电气工程学士学位和硕士学位。联系方式：leo.liu@analog.com。
