以雜訊的名義「停止」:是否要關掉那台開關電源?

作者 : Bill Schweber,EE Times

即使是用作DC/DC穩壓器的低雜訊開關電源,也沒有LDO那麼安靜。然而,儘管開關電源設計可能需要在某些直流電源軌上實現極低的雜訊,但其通常在功耗和執行時間方面卻更要做系統級的考慮…

談到「開關電源」,最先產生的兩個本能反應就是「高效」和「吵雜」這兩個術語;相反的,例如「低壓差穩壓器」(LDO)所使用的卻是「低效」和「安靜」這兩個相反的描述性術語。不可否認,這些「陳腔濫調」(clichés)不假,但是對待起來卻要小心確認:與大多數陳腔濫調一樣,在某些條件和情況下也有例外。

當然,即使是用作DC/DC穩壓器的低雜訊開關電源,也沒有LDO那麼安靜。然而,儘管開關電源設計可能需要在某些直流電源軌上實現極低的雜訊,但其通常在功耗和執行時間方面卻更要做系統級的考慮。這些領域包括敏感的低電平RF前端,以及精確的高解析度A/D轉換。

圖1 TPS62840的STOP模式工作——藍色是STOP引腳的輸入訊號,紫紅色是輸出電壓,綠色是電感電流,所有這些都是在(a) PFM工作和(b)強制PWM在VIN = 3.6V、VOUT = 1.8V和IOUT = 10mA條件下測量得到,測量結果包括COUT =10µF。(資料來源:德州儀器)

對RF前端來說,需要低雜訊時其工作週期應為100%,因此在由吵雜的開關電源供電的拓撲中使用一個本地LDO,可能就是明智之舉。此外,為防止導入雜訊,該前端的導軌可能需要濾波,以及仔細的PCB走線佈局或分離的電源線佈線。相反,對精確的A/D轉換來說,僅在轉換週期本身期間才需要乾淨的電源,因此就是間歇性的,並且通常更新速率固定。

不管轉換是「依需求」完成還是正式和定期進行,多年來一直使用的一種方法是在轉換週期內關閉開關電源,而使轉換電路「依靠」電容提供的無雜訊電源工作。這當然是可行的,但需要對轉換器的功率需求和轉換週期長度進行可靠的分析,才能正確確定電容的尺寸。

有一些IC可以簡化這種方法的實現。例如,德州儀器(TI)TPS62840是一款1.8V~6.5VIN的高效750mA降壓開關電源IC,它有一個封裝引腳可以控制「停止」(stop)功能,從而可以在消除開關雜訊的同時允許電容提供所需的功率(圖1)。它不能提供大量電流,但是對預期的用途來說卻很好。TI在其部落格文章「Advantages of the STOP function for low-noise data-acquisition applications」中對此進行了進一步的討論。

顯然,這是一種有吸引力的解決方案,但是在與轉換有關的軟體中也需要小心。在電容電壓下降影響工作之前的所有時間範圍內,必須停止開關電源,啟動並完成轉換,並重新啟動開關功能。

同樣重要的是,為了確保潛在的bug或高優先順序中斷不會使stop或un-stop指令受到延遲,需要對軟體進行適當的制定和測試。如果發生這種情況,則雜訊或其他難以再現的資料可能會導致轉換誤差,尤其是在該問題是間歇性的情況下如此。實際上,可以透過為軟體增加另一負荷來消除雜訊。不然,可能就必須採用某種基於硬體的離散式計時器電路(不,價格低廉的555類計時器在這裡可能不適用)。

圖2 LT8614和更吵雜的LT8610的輻射發射與CISPR25 B類輻射極限的比較。(資料來源:ADI)

 

另一種方法是使用非常安靜的開關穩壓器,例如ADI的LT8614「Silent Switcher」。這款42V、4A同步降壓開關電源IC可以輕鬆超過嚴格的CISPR25輻射標準(圖2),此外它對於直流電源軌本身還具有低於10mVP-P、獨立於負載電流的低雜訊特性。設計人員必須瞭解轉換過程中所發生的不期望雜訊中有多少是從DC/DC開關電源輻射出來的,以及直流輸出軌上的波紋有多少是由雜訊引起。

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