解決開關(guān)模式DC-DC轉(zhuǎn)換器的噪聲和空間問(wèn)題的PowerSoC

引言

　　轉(zhuǎn)換效率促使FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)師從線穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)向使用開關(guān)模式直流-直流轉(zhuǎn)換器。雖然開關(guān)模式直流-直流轉(zhuǎn)換器能夠顯著提率，但卻需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，多的部件數(shù)量和大的覆蓋區(qū);為明顯的是，對(duì)速輸入/輸出單元來(lái)說(shuō)，開關(guān)模式直流-直流轉(zhuǎn)換器就等于噪聲源。

　　本文描述了開關(guān)模式直流-直流轉(zhuǎn)換器的噪聲分量，同時(shí)說(shuō)明PowerSoC如何將各分量降至zui低。本文也進(jìn)步用設(shè)計(jì)示例來(lái)說(shuō)明PowerSoC如何令速輸入/輸出單元具有與線穩(wěn)壓器媲美，甚至*的能。

　　降壓型直流-直流轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)單模型

　　對(duì)MOSFET開關(guān)、電感器，以及輸入和輸出濾波電容即可組成個(gè)簡(jiǎn)易的同步開關(guān)模式直流-直流轉(zhuǎn)換器模型。圖1為轉(zhuǎn)換周期中的轉(zhuǎn)換器及其相關(guān)的直流和交流電流通路。當(dāng)SW1 閉合時(shí)（SW2開啟），電流從電源流經(jīng)電感器到達(dá)負(fù)載，輸入和輸出濾波電容實(shí)現(xiàn)頻交流電流的"分流".當(dāng)SW2閉合時(shí)（SW1開啟），電感器儲(chǔ)存的電能在轉(zhuǎn)換周期的后半段為負(fù)載提供電流。開啟和閉合開關(guān)的動(dòng)作以及頻交流電流的流動(dòng)都會(huì)產(chǎn)生噪聲。

　　圖1:同步降壓型直流-直流轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)化模型之完整轉(zhuǎn)換周期。紅色實(shí)線表示"直流"電流的流動(dòng)方向，而紅色虛線表示頻交流電流的流動(dòng)方向。

　　直流-直流噪聲關(guān)鍵分量和降噪策略

　　降壓型直流-直流轉(zhuǎn)換器地將直流電壓"分成"交流電壓，然后轉(zhuǎn)換回到偽直流電壓。此過(guò)程產(chǎn)生了四種不同的噪聲：1） 轉(zhuǎn)換器直流輸出側(cè)的紋波電壓，2） 轉(zhuǎn)換器輸入電源側(cè)的紋波電壓，3） 輻射電磁干擾，和4）傳導(dǎo)電磁干擾。

　　輸出電壓紋波

　　每個(gè)被動(dòng)元件除了本身的基本功能（電阻、電容、電感）外，還具有另外兩個(gè)寄生元素：如果是電容，即為等效串聯(lián)電阻 （ESR） 和等效串聯(lián)電感 （ESL）;如果是電阻，則是等效串聯(lián)電感和等效并聯(lián)電容。

　　輸出紋波是交流紋波電流分流或流經(jīng)輸出濾波電容時(shí)的副產(chǎn)物。圖2展示了小型的輸出濾波電容信號(hào)模型，和該模型各成分對(duì)輸出紋波波形的作用。請(qǐng)注意輸出濾波電容的ESL是由PCB引線的寄生電感和轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部寄生電感結(jié)合形成。ESL通過(guò)感應(yīng)"振動(dòng)"產(chǎn)生頻信號(hào)。

　　圖2:輸出電壓紋波分量和來(lái)源

　　大多數(shù)直流-直流轉(zhuǎn)換器供應(yīng)商的數(shù)據(jù)表顯示了低通濾波紋波的波形，因此通常無(wú)法穩(wěn)定指示給定應(yīng)用情況中PCB上測(cè)量得到的實(shí)際紋波。

　　降噪策略

　　基本而言，要降低輸出紋波可通過(guò)減小紋波電流和 / 或降低電容器 的ESR和ESL以及PCB引線的ESL.

　　●在開關(guān)頻率較的側(cè)操作將降低給定電感值的紋波電流，從而可以使用較小且ESR/ESL較低的陶瓷電容。但開關(guān)頻率的升會(huì)增加MOSFET開關(guān)的開關(guān)損耗，并影響效率。

　　●將多個(gè)電容并聯(lián)可降低ESR/ESL,就如將電阻并聯(lián)以降低其合成電阻樣。隨著電容個(gè)數(shù)增加，PCB ESL增加，其效果受到，并且將增加轉(zhuǎn)換器的消耗。

　　●使用小尺寸的濾波元件（電感器和電容）可以減少PCB的長(zhǎng)度，從而降低PCB ESL.可惜小尺寸的電感器通常會(huì)導(dǎo)致紋波電流較大，但不增加開關(guān)頻率。

　　●使用兩濾波，例如在直流-直流輸出濾波段和目標(biāo)負(fù)載之間使用鐵氧體磁珠和電容。這種方法的缺點(diǎn)在于額外的致?lián)p耗元件將影響調(diào)壓效果，并可能降低效率。

　　輸入電壓紋波

　　隨著SW1 MOSFET打開和閉合，電流從電源（VIN）流出，形成近似矩形的脈沖波形。上升和下降時(shí)間快，大約幾毫微秒。

　　與由輸出濾波電容和PCB引線ESL產(chǎn)生的輸出紋波相似，輸入濾波電容ESR和ESL,以及電源PCB引線ESL產(chǎn)生輸入紋波。然而，隨著電流時(shí)間比（di/dt）的變化增大，輸入電流紋波幅度要大的多。因此，PCB電感的影響為重要，而輸入濾波電容必須耐受的RMS電流。又大又快的開關(guān)電流也是傳導(dǎo)和輻射EMI（稍后將探討）的主要來(lái)源。

　　降噪策略

　　●與輸出濾波電容樣，在開關(guān)頻率較的側(cè)操作將可以使用較小且ESR/ESL較低的陶瓷輸入濾波電容。同樣應(yīng)注意開關(guān)損耗將變大。

　　●將輸入濾波回路中的寄生電感降至zui低。這主要通過(guò)將濾波電容盡可能靠近直流-直流轉(zhuǎn)換器，以及盡可能短且寬的PCB引線來(lái)實(shí)現(xiàn)。通常不得將輸入濾波電容安裝在PCB的對(duì)邊且通過(guò)vias與直流-直流轉(zhuǎn)換器連接，否則會(huì)將大量電感引入電流回路中。

　　輻射EMI

　　●又大又快的開關(guān)電流流經(jīng)輸入交流電流回路會(huì)產(chǎn)生輻射EMI.如電磁場(chǎng)課程所述，環(huán)形天線的輻射效率是回路半徑相對(duì)于輻射波長(zhǎng)的函數(shù)。

　　●公式1列出了環(huán)形天線輻射產(chǎn)生的功率與半徑r和波長(zhǎng)λ的關(guān)系;h是自由空間常數(shù)。請(qǐng)注意回路半徑存在r8關(guān)系，而波長(zhǎng)存在λ4的關(guān)系。因此，在頻率較的側(cè)操作的顯著優(yōu)點(diǎn)是可使用較小尺寸的元件，以縮小輸入電流回路半徑。

　　降噪策略

　　減少輸入交流電流回路的半徑。通過(guò)在較頻率側(cè)開關(guān)以使用較小尺寸的陶瓷濾波電容，即可達(dá)到此目的。同樣應(yīng)注意，如上文所述，開關(guān)頻率越，開關(guān)損耗也越大。

　　傳導(dǎo)EMI

　　傳導(dǎo)EMI有兩個(gè)主要來(lái)源：先是輸入電壓干線產(chǎn)生的開關(guān)輸入電流，它會(huì)造成電源紋波（差模）和接地彈跳（共模）EMI;其次則是在電路板PCB引線上的電感器磁通泄漏耦合。

降噪策略

　　●使用大小合適的輸入濾波電容供應(yīng)或過(guò)濾頻交流電源，以便盡可能降低電源干線上的電流。

　　●將輸入交流電流回路中的寄生電感和 ESL 降至zui低。這可以通過(guò)在開關(guān)頻率較的側(cè)操作實(shí)現(xiàn)，這樣就可以使用低 ESL 的陶瓷電容器，從而縮小回路半徑。需要再次強(qiáng)調(diào)的是開關(guān)頻率越，開關(guān)損耗也越。

　　●讓輸入濾波電容的 PCB 引線盡可能短且寬以降低引線電感。

　　●使用式電感器以降低磁漏。

　　PowerSoC作為降噪策略

　　Enpirion于2004年推出*個(gè)PowerSoC .PowerSoC在單個(gè)IC套件中集成了完整的直流 - 直流轉(zhuǎn)換器，包括器、柵驅(qū)動(dòng)器、MOSFET開關(guān)、頻去耦，以及zui重要的電感器。大多數(shù) PowerSoC 只需要輸入和輸出濾波電容，因此整個(gè)解決方案既簡(jiǎn)單又輕巧。

　　●使用的深亞微米頻 LDMOS 既可實(shí)現(xiàn)低開關(guān)損耗，又能集成整套的、驅(qū)動(dòng)和開關(guān)元件。低開關(guān)損耗可以實(shí)現(xiàn)開關(guān)頻率，例如 5MHz.

　　●、磁導(dǎo)率、小體積的磁元件可以實(shí)現(xiàn)zui低的交流損耗和低直流電阻。小體積的磁元件和磁結(jié)構(gòu)具有自特，可以降低磁漏。開關(guān)頻率則允許使用尺寸小的電感器。

　　●開關(guān)頻率還允許使用小型的輸入和輸出濾波電容，這樣來(lái)，可以縮小輸入和輸出交流回路的尺寸，從而降低紋波和 EMI.

　　●套件布線經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)可進(jìn)步縮小輸入和輸出交流濾波回路的半徑，從而盡可能降低輻射和傳導(dǎo) EMI 以及紋波。

　　●套件設(shè)計(jì)包括射頻，旨在盡可能降低內(nèi)部電路元件內(nèi)的寄生阻抗以保持套件內(nèi)的頻交流電源。

　　PowerSoC結(jié)果與離散實(shí)現(xiàn)方案

　　圖3–6展示了 PowerSoC 與離散式直流 - 直流轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)方案的對(duì)比結(jié)果。

　　圖3:4A大小的轉(zhuǎn)換器解決方案區(qū)域?qū)Ρ取owerSoC（左圖）的輸入和輸出交流電流回路小，相當(dāng)于離散式實(shí)現(xiàn)方案尺寸的1/7.

　　黃色虛線方框表示PowerSoC尺寸和離散式直流-直流轉(zhuǎn)換器的對(duì)比結(jié)果。

　　圖4:PowerSoC（左圖）與離散式直流-直流轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)方案（右圖）的輸出紋波電壓對(duì)比。二者使用相同的設(shè)備和在供應(yīng)商評(píng)估板上測(cè)量紋波。測(cè)量帶寬為500MHz.

　　圖5:輻射EMI測(cè)量結(jié)果;CISPR22 B等3m.左圖為PowerSoC,右圖為離散式實(shí)現(xiàn)方案，均在供應(yīng)商評(píng)估板上測(cè)量得出。

　　圖6:輸入接地端子上測(cè)量的傳導(dǎo)干擾

　　采用Enpirion PowerSoC的供電Rocket IO應(yīng)用實(shí)例

　　設(shè)計(jì)制造的子板插到Virtex 5開發(fā)板上（圖7）。對(duì)采用Enpirion裝置驅(qū)動(dòng)的開發(fā)板和線穩(wěn)壓器執(zhí)行同樣的抖動(dòng)測(cè)量。分別測(cè)量Enpirion PowerSoC有兩濾波和無(wú)兩濾波的效果。抖動(dòng)測(cè)量結(jié)果如表1所示。

　　表1. Rocket IO的抖動(dòng)測(cè)量結(jié)果

　　圖7:帶Enpirion PowerSoC的子板

　　結(jié)論

　　對(duì)FPGA設(shè)計(jì)師而言PowerSoC強(qiáng)效的工具。這種裝置能夠減少?gòu)幕诰€穩(wěn)壓器的電壓轉(zhuǎn)換器向的開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變過(guò)程中面臨的諸多問(wèn)題。 PowerSoC具有和線穩(wěn)壓器相似的覆蓋區(qū)域，易于設(shè)計(jì)，同時(shí)也擁有開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的率，卻可免去離散式轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)方案的噪聲和復(fù)雜度。