減小開關穩壓器在后段輸出中的殘留成份

設計師在后調開關式穩壓器輸出時會頻繁使用線性穩壓器。這種方法有很多好處，如可以改善穩定性、精度和瞬態響應，以及降低輸出阻抗。理想情況下，顯著降低開關穩壓器產生的紋波與尖峰能獲得這些性能上的好處。但在實際應用中，所有的線性穩壓器都會遭遇紋波和尖峰的麻煩，特別當頻率升高時。如果穩壓器輸入與輸出電壓差較小，則會進一步放大這種效應。這種情況很棘手，因為這種低壓差正是保證效率的必要條件。

輸入濾波電容可以在紋波與尖峰進入穩壓器以前對它們進行平滑處理（圖1）。輸出電容在較高頻率下保持低的輸出阻抗，改進負載的瞬態響應，并為某些穩壓器提供頻率補償。其它輔助作用還有減少噪聲和防止輸入端出現殘余的人為擾動進入穩壓器的輸出端。即使很小幅度的高頻成份也可以影響到對噪聲敏感的視頻、通信和其它類型的電路，所以要考慮這些人為干擾的效應。設計師會使用大量的電容，試圖消除這些不希望出現的信號以及它們產生的影響。雖然這些信號很難對付，有時似乎什么招術都不起作用，但要做到控制它們，了解它們的起源和特性是關鍵。

開關穩壓器交流輸出成份

圖 2 顯示了一個開關穩壓器的動態交流輸出成份。它包括開關穩壓器在時鐘

頻率（典型值從 100 kHz ~ 3 MHz）下的相對低頻紋波，以及與電源開關過渡期間相關的高頻“尖峰”成份。紋波的來源是開關穩壓器產生的脈沖能量。濾波電容能將交流成份作平滑處理，但不會消除它們。尖峰經常帶有頻率可達 100 MHz的諧波成份，尖峰來源是開關穩壓器中的高頻、快速轉換的功率元件。降低穩壓器的重復速率和縮短過渡時間可以大大降低紋波和尖峰幅度，但磁性元件的體積就會增大，效率降低。用這種方法構建的電路可以顯著降低諧波成份，但犧牲的是磁性元件的體積與電路效率（見網上參考文獻1）。用同樣的快速時鐘和轉換可以使用小型、高效的無源器件，但會向線性穩壓器提供高頻紋波與尖峰。

穩壓器對紋波的抑制能力強于寬帶尖峰。舉個典型的應用實例，即 LT1763線性穩壓器的抑制性能，它在 100 kHz 時有 40 dB 的衰減，而在 1 MHz 則降至約 25 dB（圖3）。大多數的寬帶尖峰會直接通過穩壓器，而用于吸收尖峰的輸出濾波電容也有高頻性能的限制。高頻寄生效應會導致穩壓器和濾波電容不完美的頻率響應，可見圖 1 過于簡單化。圖4中包含了寄生條件和一些新元件顯示強調高頻寄生條件的穩壓路徑（圖4）。區別這些條件非常重要，因為正是它們將紋波和尖峰傳播至標稱的穩壓輸出端。

 

另外，了解了寄生元件的效應就可以采用一種可以降低高頻輸出成份測量的策略。穩壓器包含的高頻寄生路徑主要是容性的，路徑跨越傳輸晶體管，并進入基準和穩壓放大器。這些條件與固定的穩壓器增益帶寬一起限制了高頻抑制性能。輸入、輸出濾波電容含有寄生電感和電阻，當頻率上升時會降低它們的效率。雜散布局的電容會產生多余而有害的饋通路徑。接地路徑的電阻和電感會增大地電位差，增添誤差并使測量更加復雜化。

現在還出現了一些通常情況下與線性穩壓器無關的新元件。這些新增元件包括在穩壓器的輸入、輸出線路上的鐵氧體磁珠或電感。這些元件有它們自己的高頻寄生路徑，但可以顯著改善穩壓器整體的高頻抑制性能（見網上附文“鐵氧體磁珠的真相”）。

建立一個紋波/尖峰仿真器

要了解這個問題，先要觀察穩壓器在多種條件下對紋波和尖峰的響應。此時應該單獨改變紋波與尖峰參數，包括它們的頻率、諧波成份、波幅、持續時間以及直流電平。這一功能是多變的，不同電路情況要進行實時優化和敏感性分析。雖然對實際開關穩壓器驅動條件下線性穩壓器性能的觀察尚沒有可以替代的辦法，但硬件仿真器可以降低出現意外可能發生的情況（見網上圖5）。它可以用獨立可設置的 DC、紋波和尖峰參數來仿真一個開關穩壓器的輸出。

該設計將一個現成的商用函數發生器與兩個并聯的信號路徑組合構成的電路。它在一個相對較慢的路徑上傳輸 DC 和紋波，而通過一個快速路徑處理寬帶尖峰信息。兩個路徑匯合在線性穩壓器的輸入端。函數發生器可設置諧波輸出（見網上圖6中的跡線A）提供DC/紋波路徑，包括功率放大器IC1 和相關元件構成。IC1接收諧波輸入和直流偏置信息，驅動待測穩壓器。L1 和1Ω電阻使IC1在紋波頻率下穩定地驅動穩壓器。

函數發生器的脈沖同步輸出（見網上圖6跡線B）是產生寬帶尖峰的根源。放大器IC2區別出輸出的邊沿（跡線C），并饋送給雙極比較器IC3A和IC3B。比較器的輸出尖峰（跡線D和E）與諧波轉折點同步。通過1kΩ電位計將互補直流閾值電勢加到IC3A和 IC3B，并且IC2控制尖峰的寬度。二極管門限以及并聯的邏輯反相將跡線F呈現給尖峰幅度控制。跟隨器Q1 將尖峰和 IC1的DC/紋波路徑加在一起，形成線性穩壓器的輸入（跡線G）。

對線性穩壓器抑制能力的評估

見網上圖 5 中的電路可以幫助對線性穩壓器高頻抑制能力做出評估。