電源開關(guān)設計秘笈30例2——駕馭噪聲電源

無噪聲電源并非是偶然設計出來的。一種好的電源布局是在設計時最大程度的縮短實驗時間。花費數(shù)分鐘甚至是數(shù)小時的時間來仔細查看電源布局，便可以省去數(shù)天的故障排查時間。

圖1顯示的是電源內(nèi)部一些主要噪聲敏感型電路的結(jié)構(gòu)圖。將輸出電壓與一個參考電壓進行比較以生成一個誤差信號，然后再將該信號與一個斜坡相比較，以生成一個用于驅(qū)動功率級的 PWM(脈寬調(diào)制)信號。

電源噪聲主要來自三個地方：誤差放大器輸入與輸出、參考電壓以及斜坡。對這些節(jié)點進行精心的電氣設計和物理設計有助于最大程度地縮短故障診斷時間。一般而言，噪聲會與這些低電平電路電容耦合。一種卓越的設計可以確保這些低電平電路的緊密布局，并遠離所有開關(guān)波形。接地層也具有屏蔽作用。

圖1 低電平控制電路的諸多噪聲形成機會

誤差放大器輸入端可能是電源中最為敏感的節(jié)點，因為其通常具有最多的連接組件。如果將其與該級的極高增益和高阻抗相結(jié)合，后患無窮。在布局過程中，您必須最小化節(jié)點長度，并盡可能近地將反饋和輸入組件靠近誤差放大器放置。如果反饋網(wǎng)絡中存在高頻積分電容，那么您必須將其靠近放大器放置，其他反饋組件緊跟其后。并且，串聯(lián)電阻-電容也可能形成補償網(wǎng)絡。最理想的結(jié)果是，將電阻靠近誤差放大器輸入端放置，這樣，如果高頻信號注入該電阻-電容節(jié)點時，那么該高頻信號就不得不承受較高的電阻阻抗—而電容對高頻信號的阻抗則很小。

斜坡是另一個潛在的會帶來噪聲問題的地方。斜坡通常由電容器充電(電壓模式)生成，或由來自于電源開關(guān)電流的采樣(電流模式)生成。通常，電壓模式斜坡并不是一個問題，因為電容對高頻注入信號的阻抗很小。而電流斜坡卻較為棘手，因為存在了上升邊沿峰值、相對較小的斜坡振幅以及功率級寄生效應。

圖2顯示了電流斜坡存在的一些問題。第一幅圖顯示了上升邊沿峰值和隨后產(chǎn)生的電流斜坡。比較器(根據(jù)其不同速度)具有兩個電壓結(jié)點 (potential trip points)，結(jié)果是無序控制運行，聽起來更像是煎熏肉的聲音。

利用控制IC中的上升邊沿消隱可以很好地解決這一問題，其忽略了電流波形的最初部分。波形的高頻濾波也有助于解決該問題。同樣也要將電容器盡可能近地靠近控制 IC 放置。正如這兩種波形表現(xiàn)出來的那樣，另一種常見的問題是次諧波振蕩。這種寬－窄驅(qū)動波形表現(xiàn)為非充分斜率補償。向當前斜坡增加更多的電壓斜坡便可以解決該問題。

圖2 兩種常見的電流模式噪聲問題

盡管您已經(jīng)相當仔細地設計了電源布局，但是您的原型電源還是存在噪聲。這該怎么辦呢？首先，您要確定消除不穩(wěn)定因素的環(huán)路響應不存在問題。有趣的是，噪聲問題可能會看起來像是電源交叉頻率上的不穩(wěn)定。但真正的情況是該環(huán)路正以其最快響應速度糾出注入誤差。同樣，最佳方法是識別出噪聲正被注入下列三個地方之一：誤差放大器、參考電壓或斜坡。您只需分步解決便可！

第一步是檢查節(jié)點，看斜坡中是否存在明顯的非線性，或者誤差放大器輸出中是否存在高頻率變化。如果檢查后沒有發(fā)現(xiàn)任何問題，那么就將誤差放大器從電路中取出，并用一個清潔的電壓源加以代替。這樣您應該就能夠改變該電壓源的輸出，以平穩(wěn)地改變電源輸出。如果這樣做奏效的話，那么您就已經(jīng)將問題范圍縮小至參考電壓和誤差放大器了。

有時，控制IC中的參考電壓易受開關(guān)波形的影響。利用添加更多(或適當)的旁路可能會使這種狀況得到改善。另外，使用柵極驅(qū)動電阻來減緩開關(guān)波形也可能會有助于解決這一問題。如果問題出在誤差放大器上，那么降低補償組件阻抗會有所幫助，因為這樣降低了注入信號的振幅。如果所有這些方法都不奏效，那么就從印刷電路板將誤差放大器節(jié)點去除。對補償組件進行架空布線(air wiring)可以幫助我們識別出哪里有問題。