了解开关调节器的输出，加快电源设计

作者：Aldrick S. Limjoco

简介

最大程度降低开关调节器的输出纹波和瞬变十分重要，尤其是为高分辨率ADC之类噪声敏感型器件供电时，输出纹波在ADC输出频谱上将表现为独特的杂散。为避免降低信噪比(SNR)和无杂散动态范围(SFDR)性能，开关调节器通常以低压差调节器(LDO)代替，牺牲开关调节器的高效率，换取更干净的LDO输出。了解这些伪像可让设计人员成功将开关调节器集成到更多的高性能、噪声敏感型应用中。

本文介绍测量开关调节器中的输出纹波和开关瞬变的有效方法。对这些参数的测量要求非常仔细，因为糟糕的设置可能会导致读数错误，示波器探针信号和接地引线形成的环路会导致产生寄生电感。这样会增加与快速开关瞬变有关的瞬变幅度，因此必须保持较短的连接、有效的方法以及宽带宽性能。此处，采用ADP2114双通道2 A/单通道4 A同步降压DC-DC转换器，演示测量输出纹波和开关噪声的方法。这款降压调节器具有高效率，开关频率最高可达2 MHz。

输出纹波和开关瞬变

输出纹波和开关瞬变取决于调节器拓扑以及外部元器件的数值与特性。输出纹波是残余交流输出电压，与调节器的开关操作密切相关。其基频与调节器的开关频率相同。开关瞬变是在开关转换过程中发生的高频振荡。它们的幅度以最大峰峰值电压表示，该值很难精确测量，因为它与测试设置高度相关。图1显示输出纹波和开关瞬变示例。


图1. 输出纹波和开关瞬变

输出纹波考虑因素

调节器的电感和输出电容是影响输出纹波的主要元件。较小的电感会产生更快的瞬变响应，但代价是电流纹波更大；而较大的电感会让电流纹波更小，相应的代价就是瞬变响应较慢。采用低有效串联电阻(ESR)的电容可最大程度减少输出纹波。带电介质X5R或X7R的陶瓷电容是一个不错的选择。通常使用大电容来降低输出纹波，但输出电容的尺寸和个数却是以牺牲成本和PCB面积得来的。

频域测量

对电源工程师而言，测量不需要的输出信号时，考虑频率域是非常有用的，它能提供一种更好的视角，了解输出纹波及其谐波位于哪些离散频率，以及各自对应哪些不同的功率水平。图2显示的是一个频谱的例子。这类信息可帮助工程师确定所选开关调节器是否适合其宽带RF或高速转换器应用。

若要进行频率域测量，可在输出电容两端连接一个50Ω同轴电缆探针。信号通过隔直电容，终止于频谱分析仪输入端的50Ω端接电阻。隔直电容可阻止直流电流穿过频谱分析仪，避免直流负载效应。50Ω传输环境可以最大限度减少高频反射和驻波。

输出电容是输出纹波的主要来源，因此测量点应该尽可能靠近。从信号尖端到接地点的环路应该尽可能比较小，以便尽量减少可能影响测量结果的额外电感。图2显示频域的输出纹波和谐波。ADP2114在指定工作条件下，于基频处产生4 mV p-p输出纹波。


图2. 采用频谱分析仪的频域图

时域测量

采用示波器探针时，不用长接地引线可避免形成接地环路，因为信号尖端和长接地引线形成的环路会产生额外电感和较高的开关瞬变。

测量低电平输出纹波时，使用1×无源探针或50Ω同轴电缆，而非10×示波器探针，因为10×探针会使信号衰减10倍，从而使低电平信号降为示波器本底噪声。图3显示的是次优探测方法。图4显示采用500MHz带宽设置时的波形测量结果。高频噪声和瞬变属于长接地引线形成的环路所造成的测量假信号，并非开关调节器所固有。


图3. 接地环路产生输出误差


图4. 开关节点(1)和交流耦合输出波形(2)

有几种方法可以减小杂散电感。一种方法是移除标准示波器探针的长接地引线，并将其管体连接至接地基准点。图5显示尖端和管体方法。然而，在本例中，尖端连接错误的调节器输出点，而非直接连接输出电容；正确方法应当是直接与输出电容相连。接地引线已移除，但PCB上走线引起的电感仍然存在。图6显示采用500MHz带宽设置时的波形结果。因为移除了长接地引线，所以高频噪声有所降低。


图5. 在开关输出的任意点采用尖端和管体法进行探测


图6. 开关节点(1)和交流耦合输出波形(2)

如图7所示，使用接地线圈在输出电容上直接探测可以产生近乎最佳的输出纹波。开关瞬变的噪声情况有所改善，且PCB上的走线电感大幅下降。但是，纹波上还是明显叠加了低幅度信号轮廓，如图8所示。


图7. 通过接地线圈，在输出电容上采用尖端和管体法进行探测


图8. 开关节点(1)和交流耦合输出波形(2)

最佳方法

探测开关输出的最佳方法是使用50Ω同轴电缆，该电缆维持在50Ω环境下，并通过可选50Ω示波器输入阻抗端接。在调节器输出电容和示波器输入之间放置一个电容，可阻止直流电流通过。电缆的另一端可通过非常短的飞线直接焊接到输出电容上，如图9和图10所示。这样可以在宽带宽范围内测量极低电平信号时保持信号完整性。图11显示500 MHz测量带宽下，用尖端和管体法与50Ω同轴法在输出电容端进行探测的对比。


图9. 使用端接50Ω同轴电缆的最佳探测法


图10. 最佳探测法示例


图11. 开关节点(1)、尖端和管体法(3)、50 Ω同轴法(2)

这些方法对比显示，50Ω环境下使用同轴电缆会产生更为精确的结果，此时噪声较小，即使采用500 MHz带宽设置也是如此。将示波器带宽改为20 MHz可消除高频噪声，如图12所示。ADP2114在时域中产生3.9 mV p-p输出纹波，接近于采用20 MHz带宽设置测得的频域值4 mV p-p。


图12. 开关节点(1)和输出纹波(2)

测量开关瞬变

开关瞬变的能量较低，但是频率成分比输出纹波高。这种情况会在开关转换过程中发生，通常标准化为包含纹波的峰峰值。图13显示使用带有长接地引线的标准示波器探针与使用50Ω同轴端接电缆（500 MHz带宽）的开关瞬变测量结果对比。通常，由长接地引线造成的接地环路会产生比预期更高的开关瞬变。


图13. 开关节点(1)、标准示波器探针(3)、50Ω同轴端接(2)

结论

设计与优化低噪声、高性能转换器的系统电源时，输出纹波和开关瞬变测量方法是非常重要的考虑因素。这些测量方法可实现精确、可再现的时域和频域结果。在较宽的频率范围内测量低电平信号时，维持50Ω的环境非常重要。进行这项测量的一种简单的低成本方法是使用合理端接的50Ω同轴电缆。这种方法可用于各类开关调节器拓扑结构。

致谢

感谢以下人员为本文所作的贡献：Pat Meehan，提供出色的监督与技术指导；Donal O'Sullivan，提供有关测试与测量技术专业知识；Rob Reeder，提供关于模数转换器的宝贵意见和技术专业知识；Manny Malaki和Miles Ramirez，提供技术支持。

参考文献

Aldrick Limjoco。AN-1144应用笔记。测量开关调节器中的输出纹波和开关瞬变。ADI公司，2013年。

应用笔记01-08-01，修订版01。输出纹波电压测量。SynQor.

Jim Williams。应用笔记70。具有100 μV输出噪声的单芯片开关调节器。Linear Technology，1997年。

作者简介

Aldrick S. Limjoco [aldrick.limjoco@analog.com]于2006年8月加入ADI公司，目前担任应用工程师一职。他毕业于德拉萨大学，获得电子工程学士学位。