愛立信的POL穩壓器(regulator)是透過使用如圖1所示的非隔離型同步降壓拓撲來實現;在降壓功率級的正常運作期間,QH和QL交替開關,開關次數由具有固定頻率PWM方案的控制電路來管理。由於輸出端的電感/電容器組合作用,用於降壓功率級的輸出電流變得平滑。

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圖1 降壓轉換器的簡化電路圖和輸入波形。



但是由於在每個開關週期中功率開關QH電流從零至全負載進行脈動,使得用於降壓功率級的輸入電流是脈動(pulsating)或形成斬波(chopped)。對於穩壓器的正確運作及最大限度地減少來自開關穩壓器的雜訊,輸入電容器顯然是扮演關鍵角色。

許多應用使用了相當傳統的中間匯流排架構(IBA),如圖2所示。在IBA中,電路板級中間匯流排轉換器(IBC)為多個POL穩壓器饋送電力,這些穩壓器的位置接近負載電路,並且提供最終運作電壓。所有這些開關轉換器在公用DC輸入匯流排產生漣波(ripple)和雜訊,應當加以抑制。如果未經濾波,穩壓器的輸入漣波和雜訊可以達到足夠高的水準,干擾使用同一電源供電的其他設備。除了POL轉換器產生的輸入漣波和雜訊之外,IBC也具有自己的輸出電壓漣波和雜訊。

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圖2 在IBA中電路板級IBC為多個POL穩壓器饋送電力。



因此,POL穩壓器上的輸入濾波器可發揮兩項重要的作用,一個作用是防止開關電源產生的電磁干擾到達電力線和影響其他設備;第二個作用是保護轉換器及其負載,以避免輸入電壓中出現的瞬變,從而提高系統可靠性。

所以POL穩壓器中的輸入漣波和雜訊的來源是什麼?如何更好地設計輸入濾波器來緩減其發生?

穩定性

在輸入端增添一個具有衰減特性足夠良好能夠滿足雜訊和漣波規範要求的濾波器,如果輸入濾波器僅由電容器(C)構成,穩定性不是問題。如果輸入濾波器還包括電感器(LC),則必需檢查穩定性:因為輸入濾波器改變了穩壓器的動態參數。輸出阻抗在某些頻率範圍可能變大,可能表現出共振,使得音訊的敏感性可能會降低。問題在於LC輸入濾波器可能影響轉換器的動態參數,通常會減低穩壓器的性能。

輸入濾波器設計中一個重要但常常被忽視的方面,就是要滿足Middlebrook規範。根據這項規範,如果輸入濾波器的輸出阻抗曲線遠遠低於輸入阻抗曲線,那麼輸入濾波器便不會顯著改動轉換器環路增益,如公式1所示:

Zi,POL >> Zo,Filter

換句話說,為了避免振盪,關鍵在於確保濾波器的峰值輸出阻抗 Zo,Filter保持低於其輸入阻抗Zi,POL。如圖3所示,POL穩壓器經設計為負載提供恆定電壓,(幾乎)與負載電流無關。因此,穩壓器在控制器頻寬範圍內的最小輸入阻抗Zi,POL,min如公式2計算所得:

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圖 3 輸入濾波器的輸出阻抗和穩壓器的輸入阻抗示例;這兩條曲線應當分開。



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公式2



此處:Vi是輸入電壓,Vo是輸出電壓,Io是穩態輸出負載電流,而η是穩壓器的效率。

輸入漣波和雜訊源

對於POL穩壓器,輸入漣波和雜訊具有三個分量,首個出現在通常稱作漣波的基礎開關頻率上。第二個分量是輸入匯流排上的AC電壓偏移,這是由於POL模組輸出上的負載瞬態變化造成的,這通常是一種持續時間為數百微秒等級、具有數十kHZ等效頻率的低頻現象。

第三個雜訊分量與發生在開關轉換期間的高頻振鈴相關,POL以不連續脈衝電流的形式從輸入源中吸取功率過程中,它的開關動作產生了這類雜訊。這個分量的頻率等同於POL的開關頻率,它具有數個可擴展到MHz頻率範圍的諧波。

另一個在DC匯流排上的高頻雜訊源是IBC;反射的漣波和來自源轉換器的雜訊通常比POL模組引起的漣波和雜訊小很多,這是由於典型IBC在輸出上具有LC濾波器,可以顯著減少漣波和雜訊。

因而,在輸入匯流排上生成的大多數漣波和雜訊的主要原因在於POL穩壓器,請留意,所有愛立信POL穩壓器在模組上都放置了陶瓷濾波電容器,可顯著減小漣波和雜訊。然而,透過在POL模組的輸入匯流排上放置附加的電容器,可以進一步降低這些漣波和雜訊。

基礎開關頻率輸入漣波

對於降壓轉換器,在開關週期的導通部分,將輸出電感連接至輸入,在關斷期間則斷開。對於輸入端的恆定DC電壓,在Q H導通期間的輸入電容器電荷數,必需等於QH關斷期間的電容器電荷數,且兩者極性相反。圖1所示為輸入電容器波形,公式3則詳細說明降低漣波電壓幅度至可接受水準所需的陶瓷電容容量。漣波幅度隨著輸入電壓而變化,在50%佔空比下為最大值。

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公式3



其中:Ci,min是最小所需陶瓷輸入電容;ΔVi,pp是最大允許峰-峰輸入漣波電壓;fsw是開關率,而D是上述定義的佔空比。

輸入電壓漣波來源於等效串聯電阻ESR,可以估算如下:

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公式4



其中:ΔVi,ESR是輸入電容器ESR引起的輸入電壓漣波,ESRi是輸入電容器的ESR, ΔIpp是最大輸出電流漣波。

根據這些公式,為了降低輸入漣波,可以增加電容或減小輸入電容器的ESR。陶瓷電容器通常具有很低的ESR,並且對於輸入電壓漣波幾乎沒有影響。

輸入濾波電容器承載電流的AC組成部分,大多數漣波電流都會流經已經放置在模組中的陶瓷電容器,然而,AC漣波電流的一部分也來自於輸入匯流排,而輸入匯流排大多數是由外部輸入電容器提供的。因而,注意RMS額定電流不要超出所選擇的外部電容器。

整體RMS電流ICi,RMS分佈在外部和內部輸入電容器之間,計算如下:

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公式5



請留意,RMS電流可以透過愛立信電源設計人員(EPD)工具中的同步/相位展開功能來計算。

輸出瞬變帶來的低頻率雜訊

當設計使用共用的大容量輸入電容器組,並且包括單一或多個POL模組的系統時,第一步是計算輸入瞬態電流的幅度,這是透過計算每個POL模組的輸出瞬變的反射輸入瞬變電流得到的。在計算每個模組的個別輸入瞬變之後,將它們相加以得到整體瞬變電流。在計算時,必需確定所有模組的最差情形瞬變組合,並且相應地處理。透過以下公式計算輸入電流瞬變幅度ΔIi:

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公式6



此處: ΔIi是輸入瞬變電流, ΔIo是輸出瞬變電流。

接下來,確定在輸入電容器上的最大允許電壓偏差ΔVtr。

這是步驟一計算的峰值瞬變期間的最大允許下降,公式7可計算最小所需輸入電容Ci,tr,min。

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公式7



此處:Lftotal是串列濾波器電感加上雜散電感,如果沒有使用濾波器電感,便必需把雜散電感Lsrc計算在內。

請留意這個公式是計算近似值,它生成的數值應當被認為是絕對最小值。選擇電容器數值以滿足所需總體電容時,應當考慮溫度和DC偏壓和漣波電流降額等其他因素的影響,這些因素可能會降低實際的數值。

高頻雜訊

DC-DC轉換器中的高頻輸入是在高頻振鈴過程中產生,或者與轉換器功率級的寄生元件有關。儲存在寄生元件中的能量,在開關轉換期間振盪或振鈴,這類雜訊通常為數百MHz。鋁電解和鉭電容器具有高等效串聯電阻(ESR)值,因此通常並不適合解耦POL模組的雜訊和漣波。然而,它們能夠配合陶瓷電容器組合,用於抑制負載瞬變引起的較低頻率漣波等其他用途。

對於高頻衰減,必需選擇針對漣波電流能力並具有低ESL和低ESR的電容器。為了降低模組輸入端的高頻電壓尖峰,在模組的輸入端應當放置小封裝陶瓷電容器。在處理高頻開關漣波和雜訊方面,佈局也是很重要的。陶瓷電容器應當盡可能靠近POL穩壓器,如圖4所示,如果需要,在其後面應接著低ESR聚合物和鋁電解電容器。

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圖4 顯示輸入電容器放置的 BMR 463模組佈線範例。



應該透過使用較寬的走線(trace)、形狀(shapes)及平行平面(parallel planes),最大限度地減小雜散電感。由於RMS電流將由多個輸入電容器分享,建議挑選在開關頻率下,阻抗相比鉭電容和/或鋁電解電容器低很多的陶瓷電容器。這將確保大部分RMS漣波電流將會流經陶瓷電容器,而不會通過具有高ESR的鉭電容器和/或鋁電解電容器。

須留意X5R多層陶瓷電容器(MLCC)具有高電容,但是電容會在50%以上的額定電壓下顯著減小。X7R電容器對比DC電壓和溫度的典型電容變化如圖5和圖6所示。可以看到,在-55~125℃溫度範圍,X7R電容器僅僅變化±15%。然後,必需找到在寬溫度範圍保持穩定性的應用。因此,由於X7R具有良好的溫度和電壓係數,因而是優選的介電材料。由於碎裂問題,應當避免MLCC大於1210,還必需觀察電容器製造商的焊接和處理指示。

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圖5 X7R電容器對比DC電壓的典型電容變化。



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圖6 X7R電容器對比溫度的典型電容變化。



具有超低漣波和雜訊的輸入DC匯流排

根據應用,有時設計人員會選擇在分散式匯流排和開關穩壓器的輸入之間插入一個電感器,以防止雜訊耦合進入電路板上的其他電路。在這樣的情況下,使用一個具有小電感和小電容組合的濾波器,就是最節省成本和空間的最好解耦方法,參見圖7。濾波器電路中的電感器增加了輸入匯流排的源阻抗(source impedance),選擇電感器的數值時,應當以滿足公式1為準則。

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圖7 結合電感器和電容器組合的濾波器電路圖。



相位展開

當多個POL穩壓器共用一個DC輸入電源時,最好是調節每個元件的時脈相位偏移,使得各元件的上升邊緣並不一致;為了實現相位展開(phase spreading),所有轉換器都必需根據相同的開關時脈進行同步。

在相位展開電源中,平行穩壓器在特定的相位角度開關;這些角度均勻地分佈,因而可最大限度地消除漣波電流。利用針對輸入電容器RMS電流的通用公式,可求取ICi,RMS的近似值:

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公式8



此處:m=floor(ND),floor函數傳回低於或等於輸入數值ND的最大整數,N是主動相位的數目。

圖8顯示在負載電流上的正常化輸入漣波電流RMS數值對比具有不同有效相位數目的佔空比。從公式7和公式8看出,輸入漣波電流的消除與相位和佔空比的數目相關,增加更多相位通常可實現更大的漣波削減。電容器ESR使得大漣波電流將會在輸入電容器中引起很高的功耗,也會縮短電容器的使用壽命。除了減小輸入RMS電流,交錯也會減小峰-峰電流。

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圖8 常規化RMS輸入漣波電流對比佔空比。



輸入電容器的開關電流通常是高頻雜訊的主要來源,透過降低開關電流幅度可以降低電流轉換速率,同時可為高側MOSFET提供AC電流,從而減少雜訊。輸入漣波的頻率也高於單相運作的頻率;較高頻率可以減小輸入濾波器的體積和成本。公式8定義了透過相位展開將漣波電壓幅度降低至可接受水準所需的輸入電容。

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公式9



ΔVi,pp是輸入電容所貢獻的可接受輸入電壓漣波,這是濾除大部分脈衝電流的輸入電容。

根據公式10可以估算出輸入電容元件ESR i的ESR所引起的輸入電壓漣波。

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公式10



從公式9可看出,相位展開可以大幅減小輸入電容需求。