解決開關模式DC-DC轉換器的噪聲和空間問題的PowerSoC

引言

　　轉換效率促使FPGA系統設計師從線穩壓器轉向使用開關模式直流-直流轉換器。雖然開關模式直流-直流轉換器能夠顯著提率，但卻需要復雜的結構設計，多的部件數量和大的覆蓋區;為明顯的是，對速輸入/輸出單元來說，開關模式直流-直流轉換器就等于噪聲源。

　　本文描述了開關模式直流-直流轉換器的噪聲分量，同時說明PowerSoC如何將各分量降至zui低。本文也進步用設計示例來說明PowerSoC如何令速輸入/輸出單元具有與線穩壓器媲美，甚至*的能。

　　降壓型直流-直流轉換器簡單模型

　　對MOSFET開關、電感器，以及輸入和輸出濾波電容即可組成個簡易的同步開關模式直流-直流轉換器模型。圖1為轉換周期中的轉換器及其相關的直流和交流電流通路。當SW1 閉合時（SW2開啟），電流從電源流經電感器到達負載，輸入和輸出濾波電容實現頻交流電流的"分流".當SW2閉合時（SW1開啟），電感器儲存的電能在轉換周期的后半段為負載提供電流。開啟和閉合開關的動作以及頻交流電流的流動都會產生噪聲。

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

　　直流-直流噪聲關鍵分量和降噪策略

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

　　輸出電壓紋波

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

　　輸出紋波是交流紋波電流分流或流經輸出濾波電容時的副產物。圖2展示了小型的輸出濾波電容信號模型，和該模型各成分對輸出紋波波形的作用。請注意輸出濾波電容的ESL是由PCB引線的寄生電感和轉換器的內部寄生電感結合形成。ESL通過感應"振動"產生頻信號。

　　圖2:輸出電壓紋波分量和來源

　　大多數直流-直流轉換器供應商的數據表顯示了低通濾波紋波的波形，因此通常無法穩定指示給定應用情況中PCB上測量得到的實際紋波。

　　降噪策略

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

　　●在開關頻率較的側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。但開關頻率的升會增加MOSFET開關的開關損耗，并影響效率。

　　●將多個電容并聯可降低ESR/ESL,就如將電阻并聯以降低其合成電阻樣。隨著電容個數增加，PCB ESL增加，其效果受到，并且將增加轉換器的消耗。

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

　　●使用兩濾波，例如在直流-直流輸出濾波段和目標負載之間使用鐵氧體磁珠和電容。這種方法的缺點在于額外的致損耗元件將影響調壓效果，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。上升和下降時間快，大約幾毫微秒。

　　與由輸出濾波電容和PCB引線ESL產生的輸出紋波相似，輸入濾波電容ESR和ESL,以及電源PCB引線ESL產生輸入紋波。然而，隨著電流時間比（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。又大又快的開關電流也是傳導和輻射EMI（稍后將探討）的主要來源。

　　降噪策略

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

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

　　輻射EMI

　　●又大又快的開關電流流經輸入交流電流回路會產生輻射EMI.如電磁場課程所述，環形天線的輻射效率是回路半徑相對于輻射波長的函數。

　　●公式1列出了環形天線輻射產生的功率與半徑r和波長λ的關系;h是自由空間常數。請注意回路半徑存在r8關系，而波長存在λ4的關系。因此，在頻率較的側操作的顯著優點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。通過在較頻率側開關以使用較小尺寸的陶瓷濾波電容，即可達到此目的。同樣應注意，如上文所述，開關頻率越，開關損耗也越大。

　　傳導EMI

　　傳導EMI有兩個主要來源：先是輸入電壓干線產生的開關輸入電流，它會造成電源紋波（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或過濾頻交流電源，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。這可以通過在開關頻率較的側操作實現，這樣就可以使用低 ESL 的陶瓷電容器，從而縮小回路半徑。需要再次強調的是開關頻率越，開關損耗也越。

　　●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PowerSoC .PowerSoC在單個IC套件中集成了完整的直流 - 直流轉換器，包括器、柵驅動器、MOSFET開關、頻去耦，以及zui重要的電感器。大多數 PowerSoC 只需要輸入和輸出濾波電容，因此整個解決方案既簡單又輕巧。

　　●使用的深亞微米頻 LDMOS 既可實現低開關損耗，又能集成整套的、驅動和開關元件。低開關損耗可以實現開關頻率，例如 5MHz.

　　●、磁導率、小體積的磁元件可以實現zui低的交流損耗和低直流電阻。小體積的磁元件和磁結構具有自特，可以降低磁漏。開關頻率則允許使用尺寸小的電感器。

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

　　●套件布線經過設計可進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 EMI 以及紋波。

　　●套件設計包括射頻，旨在盡可能降低內部電路元件內的寄生阻抗以保持套件內的頻交流電源。

　　PowerSoC結果與離散實現方案

　　圖3–6展示了 PowerSoC 與離散式直流 - 直流轉換器實現方案的對比結果。

　　圖3:4A大小的轉換器解決方案區域對比。PowerSoC（左圖）的輸入和輸出交流電流回路小，相當于離散式實現方案尺寸的1/7.

　　黃色虛線方框表示PowerSoC尺寸和離散式直流-直流轉換器的對比結果。

　　圖4:PowerSoC（左圖）與離散式直流-直流轉換器實現方案（右圖）的輸出紋波電壓對比。二者使用相同的設備和在供應商評估板上測量紋波。測量帶寬為500MHz.

　　圖5:輻射EMI測量結果;CISPR22 B等3m.左圖為PowerSoC,右圖為離散式實現方案，均在供應商評估板上測量得出。

　　圖6:輸入接地端子上測量的傳導干擾

　　采用Enpirion PowerSoC的供電Rocket IO應用實例

　　設計制造的子板插到Virtex 5開發板上（圖7）。對采用Enpirion裝置驅動的開發板和線穩壓器執行同樣的抖動測量。分別測量Enpirion PowerSoC有兩濾波和無兩濾波的效果。抖動測量結果如表1所示。

　　表1. Rocket IO的抖動測量結果

　　圖7:帶Enpirion PowerSoC的子板

　　結論

　　對FPGA設計師而言PowerSoC強效的工具。這種裝置能夠減少從基于線穩壓器的電壓轉換器向的開關模式轉換器轉變過程中面臨的諸多問題。 PowerSoC具有和線穩壓器相似的覆蓋區域，易于設計，同時也擁有開關模式轉換器的率，卻可免去離散式轉換器實現方案的噪聲和復雜度。