解决开关模式DC-DC转换器的噪声和空间问题的PowerSoC
引言
转换效率促塑封电感器使FPGA系统设计师从线性稳压器转向使用开关模式直流-直流转换器。虽然开关模式直流-直流转换器能够显着提高效率，但却需要更复杂的结构设计，更多的部件数量和更大的覆盖区;更为明显的是，对高速输入/输出单元来说，开关模式直流-直流转换器就等于噪声源。
本文描述了开关模式直流-直流转换器的各种噪声分量，同时说明PowerSoC如何将各分量降至最低。本文也进一步用设计示例来说明PowerSoC如何令高速输入/输出单元具有与线性稳压器媲美，甚至更优越的性能。
降压型直流-直流转换器简单模型
一对MOSFET开关、电感器，以及输入和输出滤波电容即可组成一个简易的同步开关模式直流-直流转换器模型。图1为转换周期中的转换器及其相关的直流和交流电流通路。当SW1 闭合时(SW2开启)，电流从电源流经电感器到达负载，输入和输出滤波电容实现高频交流电流的"分流".当SW2闭合时(SW1开启)，电感器储存的电能在转换周期的后半段为负载提供电流。开启和闭合开关的动作以及高频交流电流的流动都会产生噪声。
直流-直流噪声关键分量和降噪策略
降压型直流-直流转换器有效地将直流电压"分成&电感器厂家quot;交流电压，然后转换回到伪直流电压。此过程产生了四种不同的噪声：1) 转换器直流输出侧的纹波电压，2) 转换器输入电源侧的纹波电压，3) 辐射性电磁干扰，和4)传导性电磁干扰。
输出电压纹波
每个被动元件除了本身的基本功能(电阻、电容、电感)外，还具有另外两个寄生元素：如果是电容，即为等效串联电阻 (ESR) 和等效串联电感 (ESL);如果是电阻，则是等效串联电感和等效并联电容。
输出纹波是交流纹波电流分流或流经输出滤波电容时的副产物。图2展示了小型的输出滤波电容信号模型，和该模型各成分对输出纹波波形的作用。请注意输出滤波电容的ESL是由PCB引线的寄生电感和转换器的内部寄生电感结合形成。ESL通过感应"振动"产生高频尖峰信号。
大多数直流-直流转换器供应商的数据表显示了低通滤波纹波的波形，因此通常无法稳定指示给定应用情况中PCB上测量得到的实际纹波。
降噪策略
基本而言，要降低输出纹波可通过减小纹波电流和 / 或降低电容器 的ESR和ESL以及PCB引线的ESL.
●在开关频率较高的一侧操作将降低给定电感值的纹波电流，从而可以使用较小且ESR/ESL较低的陶瓷电容。但开关频率的升高会增加MOSFET开关的开关损耗，并影响效率。
●将多个电容并联可降低ESR/ESL,就如将电阻并联以降低其合成电阻一样。随着电容个数增加，PCB ESL增加，其效果受到限制，并且将增加转换器的消耗。
●使用小尺寸的滤波元件(电感器和电容)可以减少PCB的长度，从而降低PCB ESL.可惜小尺寸的电感器通常会导致纹波电流较大，但不增加开关频率。
●使用两级滤波，例如在直流-直流输出滤波段和目标负载之间使电感厂家用铁氧体磁珠和电容。这种方法的缺点在于额外的致损耗元件将影响调压效果，并可能降低效率。
输入电压纹波
随着SW1 MOSFET打开和闭合，电流从电源(VIN)流出，形成近似矩形的脉冲波形。上升和下降时间非常快，大约几毫微秒。
与由输出滤波电容和PCB引线ESL产生的输出纹波相似差模电感，输入滤波电容ESR和ESL,以及电源PCB引线ESL产生输入纹波。然而，随着电流时间比(di/dt)的变化增大，输入电流纹波幅度要大的多。因此，PCB电感的影响更为磁芯电感重要，而输入滤波电容必须耐受更高的RMS电流。又大又快的开关电流也是传导性和辐射性EMI(稍后将探讨)的主要来源。
降噪策略
●与输出滤波电容一样，在开关频率较高的一侧操作将可以使用较小且ESR/ESL较低的陶瓷输入滤波电容。同样应注意开关损耗将变大。
●将输入滤波回路中的寄生电感降至最低。这主要通过将滤波电容尽可能靠近直流-直流转换器，以及尽可能短且宽的PCB引线来实现。通常不得将输入滤波电容安装在PCB的对边且通过vias与直流-直流转换器连接，否则会将大量电感引入电流回路中。
辐射性EMI
●又大又快的开关电流流经输入交流电流回路会产生辐射性EMI.如电磁场课程所述，环形天线的辐射效率是回路半径相对于辐射波长的函数。平面变压器厂家 | 平面电感厂家
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