多级电源过滤噪声要点
转载:
https://www.toutiao.com/article/7287858727229653538/?log_from=6392af14b3ecc_1697590108031
DC-DC在其输出电压中包含纹波和开关噪声,因此它们不适合作为需要精确输入电压的应用(例如传感器)的电源。一般对策包括将LDO连接到DC-DC的输出,以抑制纹波和开关噪声,但在包括负载的各种条件下,可能难以抑制纹波和开关噪声,并且开关噪声可能传播。作为额外的对策,可以将低通滤波器连接到DC-DC的输出端,然后将它们作为电源连接到LDO。
1.纹波和开关噪声的产生及抑制方法
尽管DC-DC产生纹波和开关噪声,但是可以通过根据PSRR(电源抑制比)将LDO连接到输出来抑制噪声,然而由于LDO的有限频率特性,LDO的PSRR在高频下降低,如图11-1所示,由于开关频率很高,范围从几百kHz到几MHz,开关噪声还是会叠加在线性调节器的输出上。
图11-1:由于LDO的有限频率特性,PSRR在高频时降低
当开关噪声叠加在输出上时,可能不满足传感器输入的精度要求,为了在高频区域增加PSRR,如图11-2将低通滤波器连接到DC-DC的输出以抑制高频,尽管频率仍然保持在低频区域,但这些频率可以用LDO抑制,从而抑制宽频段的开关噪声输出。
图11-2:用低通滤波器抑制开关噪声
2.LDO的PSRR的测量方法
根据LDO的PSRR特性确定开关噪声的抑制率,PSRR的增益越高,抑制率越高。PSRR的测量电路如图11-3所示,在LDO的输入端叠加20mV交流纹波电压然后输入LDO,在1mA、10mA和100mA的输出负载件下进行测量。
图11-3:PSRR的测量方法
当DC-DC输出用作LDO的电源时,从图11-4可以看出PSRR在开关频率(1.25MHz)附近较低。此外PSRR随着输出负载的增加而降低,这表明开关噪声是传播的,因此为了补偿LDO的频率特性,有必要在DC-DC输出和LDO之间插入低通滤波器。在本节应用中,如图11-5,LC滤波器用作低通滤波器。
图11-4:频率-PSRR特性曲线
3.低通滤波器的参数设计
当需要低通滤波器时,可以使用SPICE模型来仿真执行详细检查。使用L=47uH(串联电阻DCR=5Ω)的LQH2MCN470K02(Murata)和C=10uF的GRM188B31A106KE69(Murata)作为部件进行图11-6仿真。
例如,在图11-6中,最大电流设置为100mA,Vout相对于Vin下降至0.5V,此外,所用线圈的额定电流为120mA。
图11-6:低通滤波器频率特性测量图像
根据
截止频率为7.35kHz,如图11-7所示,由于频率响应在30kHz附近为-23dB,PSRR降低,在500kHz附近为-70dB,因此可以预期PSRR可以得到改善。
图11-7:低通滤波器的频率特性
4.PSRR&低通滤波器
图11-8显示了包括低通滤波器的测量电路,如上所述,当输出负载为1mA、10mA和100mA时,测量PSRR特性,每个输出负载条件下的PSRR测量结果如图11-9所示。
图11-8:包括低通滤波器的LDO PSRR测量电路
图11-9:包括低通滤波器的LDO的PSRR
由于在开关频率为1.25MHz的DC-DC的所有负载条件下,PSRR超过60dB,因此使用低通滤波器抑制了开关噪声。
5.防止开关噪声传播的电路设计
首先检查DC-DC的开关噪声大小,DC-DC与电源相连。使用DC Block(PSPL5501A)分离开关调节器的开关噪声,并将信号输入频谱分析仪以进行成分分析。分析结果如图11-11显示,在开关频率的倍数处出现峰值。
图11-10:开关噪声的信号分析方法
图11-11:开关噪声信号分析结果
接下来,将低通滤波器连接到DC-DC的输出,并将LDO连接到低通滤波器,将直流模块连接到LDO的输出端,并将输出信号输入频谱分析仪,成分分析结果如图11-13所示。
图11-12:带LDO和低通滤波器的开关噪声抑制电路
图11-13:开关噪声降低的信号分析结果
从图11-14可以确认,该电路抑制了开关噪声。
图11-14:用LDO和低通滤波器抑制开关噪声的结果
当DC-DC的输出用作LDO的电源时,无法抑制的开关噪声可能叠加在输出上,为了抑制这种噪声,在DC-DC和LDO之间插入低通滤波器是非常有效的。