一种微型低噪低成本稳压电源的设计方法
2016-10-13固安信通信号技术股份有限公司赵宝全
固安信通信号技术股份有限公司 赵宝全
一种微型低噪低成本稳压电源的设计方法
固安信通信号技术股份有限公司 赵宝全
通过分析开关电源的噪声来源并通过合理的器件选型、滤波技术以及并联结构的设计来降低和抑制噪声，获得高效率低噪低成本的微型开关稳压电源。该设计可以提高工作时间、降低系统发热、降低成本、减小板上面积，尤其适合在电池供电的宽电源范围内应用。
DCD；开关电源；低噪声
0 引言
在使用电池的测量设备中需要高效率、低噪声、板上占用面积小、成本低特性的电源。开关电源的转换效率高，功率密度高，但噪声对于模拟链路造成很大骚扰。通常是采用开关电源加LDO的二级结构，但是LDO本身的损耗降低有限并且发热严重。本文通过分析开关电源的噪声来源进行选型设计，获得所需电源。
1. 噪声来源
开关电源（如图1）通过开关管通断来为储能元件充能及二极管续流来实现稳压变换。噪声的来源也主要来自这三个基础元件。开关管工作在高频开关状态，其波形为方波，表现为宽带噪声信号，而储能元件在开关管导通和关断时会形成一个高压尖峰，并且极性相反。在储能元件充电和放电的过程中形成低频的脉动噪声。总的噪声波形［1］为图2所示。
图1 降压型DC-DC原理图
图2 噪声波形
2. 器件选型
开关管的工作频率和自身的参数Rd是主要选型因素，开关频率在1.2M左右效率和响应速率较高，2.1M左右噪声较小，综合后在1.1M-2.2M区间进行选择。而开关管的导通Rd则是越低越好。
电感元件主要为充能和放能两个工作阶段。L值过大，充能时间长，频率不能做到很高，在开关管导通和关闭时产生的尖峰脉冲也更大.另外由于Q值较低，损耗变大，效率也较低。所以选择Q值高，L值低的电感器件。可在20uH以下选择。
续流二极管会贡献少量噪声，通过选择同步型控制芯片去掉该元件或使用RC缓冲电路降低该元件导致的噪声。输入和输出端使用电容来降低纹波噪声。
3. 噪声抑制
按照上述方法可以把噪声控制在20-50mVPP以下，但需要进一步的抑制到模拟链的噪声容忍范围内。噪声分为输出端和输入端的传导噪声、磁性元件的辐射噪声。
3.1辐射噪声抑制
对辐射噪声抑制可使用距离分割的措施，由于输入端噪声为输出端噪声的5倍左右，所以电源的输入端和模拟链路距离要最远。噪声耦合与隔离距离成指数下降。在模拟链路增加地层铺铜或地线有更好效果，不要在电源附件铺设模拟地。对电源部分进行屏蔽是更有效的方法，成本较高，接地的方式为单点接地。由于电源发热量大，屏蔽不利于散热，逆向思路是给模拟链路加屏蔽。
3.2传导噪声抑制
传导噪声中纹波［2］噪声频带分布在100KHz-3MHz，尖峰噪声频带为100MHz左右。通过2级滤波器分别处理。对纹波噪声使用LC滤波器，对尖峰噪声使用磁珠电容滤波器［3］。
滤波器：
LC滤波器起到调节阻抗作用，对高频信号形成对地低阻抗通道。由于器件的寄生参数，超过50MHz的噪声效果不好。使用（如图3所示）π型3阶结构［4］，在电感的左右有低阻抗通道，既阻隔噪声的传导也阻隔噪声的反馈，两端的电容会对瞬态的电流需求形成储备。滤波器件的不同参数会产生很大的差异，L值太小则ESR较大，产生较大的损耗和压降，L值选择太大则分布电容变大，高频噪声阻隔效果变差，所以推荐不超过10uH。电容的阻抗如图4所示的浴盆曲线，在高频时电容的阻抗变大，去耦低阻抗通道消失导致滤波器性能下降。所以选择低ESL类型的器件，推荐不超过10-100uF，通过并接0.1-10nF的电容来调整频带响应。需注意电容值太大会在启动期间形成过重负载导致电源震荡。
图3 π型3阶滤波器图
图4 器件模型及阻抗曲线
磁珠滤波器的磁珠为耗能元件，并且在高频时阻抗很高，形成对高频信号的阻隔和消耗，电容形成对地低阻抗通道，消除尖峰脉冲噪声内的高频成分。
3.3滤波器结构
差模滤波器结构（如图5所示）满足单电源供电需求。共模滤波器结构（如图6所示）满足对共模噪声有更高的要求或正负2个电源轨的需求， L1和L2使用共模电感效果最好。
图5 差模2级π型滤波器图
图6 差模和共模2级π型滤波器
4. 模块并联
上述滤波器能够起到很好的效果，但是不适合大电流的应用，一般应用在600mA以下，如果需要更高的功率可选择均流型控制芯片并联实现。模块化并联叠加设计反而更加简单。
5. 总结
通过本文介绍的合理的选型方法和外围滤波电路设计以及屏蔽结构和多模块并联结构即可获得所需的高效低噪低成本稳压电源。
［1］Henry JZhang.Application Note 140线性稳压器和开关模式电源的基本概念［EB/OL］.LINEAR TECHNOLOGY CORPORATION 2013.
［2］Jim Williams.Application Note 101 Minimizing Switching Regulator［EB/OL］.LINEARTECHNOLOGY CORPORATION 2005.
［3］Rui Du. AN-1141用开关调节器为双电源精密ADC供电［EB/ OL］.Analog Devices2012.
［4］森荣二著（日），薛培鼎译.LC滤波器设计与制作［M］.北京：科学出版社，2005：71-84.
赵宝全（1986—），男，硬件工程师，从事测控系统设计与开发。
