【導讀】如今，在很多諸如電信和網絡設備這樣的服務器中，均會使用多個電壓調節器給芯片或子電路供電。由于這些電源軌之間的電壓容差常常很小（＜1%），因此功率完整性的測量，如在全帶寬內測量紋波電壓，成為滿足系統設計要求的關鍵。
本文將結合MPS產品MPQ8633B的具體數據，為你介紹如何測量并減少COT（恒定導通時間）模式調節器的電壓紋波。
紋波和噪聲源
全帶寬輸出紋波通常包含低頻（LF）紋波和高頻（HF）噪聲兩種。圖一顯示的降壓（Buck）變換器中的低頻（LF）紋波為輸出電壓的交流分量。
圖 1：輸出電壓紋波及噪聲
然而，在實際電路中還會存在另一個交流分量，稱之為高頻（HF）噪聲，它會在開關導通和關斷時產生。圖2顯示了降壓（Buck）變換器輸出功率級的實際電路。考慮到高頻（HF）工作條件，實際電感的功能類似于電容阻抗，而實際電容則相當于電感阻抗。因此，簡化后的輸出功率級電路請見圖3。高頻（HF）噪聲主要由電感寄生電容（CL）和等效串聯電感（ESL）引起的開關耦合的高dV / dt引起。
圖 2：降壓（Buck）變換器的實際輸出功率級電路
圖 3：高頻域中降壓（Buck）變換器簡化輸出功率級電路
輸出電壓的測量設置
想要獲取精確的實驗數據，是否采用了正確的測量設置非常重要。傳統方法是采用1MΩ無源電壓探極來測量。此種設置無法獲取真實的電壓紋波和噪聲，因為大回路吸收了很多周邊噪聲，同時還會產生寄生電感。圖5顯示了基于50Ω同軸電纜的回路，它比無源電壓探極回路要小得多。而且同軸電纜具有優良的屏蔽效果、環路小、無信號衰減等優勢。
圖 4：使用無源電壓探極來測量紋波
圖5：使用50Ω同軸電纜來測量紋波
圖 6 顯示了同一工作模式下，輸出紋波的對比圖。從圖中可以看出，同軸電纜可以有效降低高頻（HF）噪聲。后面章節的所有實驗數據均基于50Ω同軸電纜測量結果。
a）基于10個1MΩ無源電壓探極的輸出紋波圖
b）基于一個50Ω同軸電纜的輸出紋波圖
圖 6：全帶寬下的輸出紋波對比圖
降低輸出紋波
如前所述，高頻噪聲與電感、輸出電容以及開關節點的電壓均有關，因此可以采取以下三種方法來降低（HF）噪聲：
1. 降低開關節點的電壓尖峰；
2. 降低高頻工作的電感阻抗；
3. 降低高頻工作的輸出電容阻抗。
對于第一種方法，最有效的方案是降低開關導通和關斷的變化斜率，通過添加一個串聯自舉電阻或一個 RC 緩沖電路來實現。
一旦開關尖峰降低，噪聲耦合環路就會得到優化。首先，根據供應商的規格書選擇一款低寄生電容電感。然后，最大限度地減少噪聲振鈴頻率周圍的輸出電容阻抗。正常情況下，降壓（Buck）變換器的噪聲振鈴頻率為幾百MHz左右。
以往通常會采用X5R/X7R陶瓷電容來降低全帶寬的紋波，因為相比于電解電容和鉭質電容，它們的ESR和ESL會更低。一般來說，高頻時陶瓷電容越小，其阻抗也越小。但小陶瓷電容的容值比較有限。因此，采用傳統的X5R/X7R陶瓷電容并不是最好的辦法。
圖 7 顯示了專為降低高頻噪聲而選的NP0陶瓷電容，此種電容具有低阻抗的特性。其阻抗特性也與電容容值相關（見圖8） 。根據高頻噪聲振鈴頻率，幾百pF的NP0電容即可滿足此種場合。
圖 7：1000pF X7R 電容與NP0電容（0603）阻抗對比圖
圖 8：不同容值NP0電容的阻抗變化圖（0603）
在以下應用原理圖中，NP0電容靠近IC放置，紋波測試點位于輸出電容端部（見圖9）。按照這種方式，大部分高頻噪聲可以通過NP0電容過濾掉，而大部分低頻噪聲則通過大容值的X5R/X7R電容過濾。
圖 9：集成NP0/LICC電容的恒定導通控制模式（COT）調節器應用原理圖
圖 10 顯示了普通陶瓷電容與NP0電容的輸出紋波對比圖，用以證明NP0電容的有效性。從圖中可以看出，NP0電容能夠顯著降低高頻噪音。
a）采用1個 180pF 0603 X7R 電容加上3個 100μF 1206 X7R 電容的輸出紋波圖
b）采用1個 180pF 0603 NP0 電容加上3個 100μF 1206 X7R 電容的輸出紋波圖
圖 10：全帶寬下不同輸出電容配置的輸出電壓紋波對比圖
結論
本文分析了DC/DC電壓調節器輸出紋波源，對比了不同的測量設置，并探討了如何降低輸出紋波。可以了解到，COT調節器能夠有效優化高頻范圍內的SW電壓尖峰、電感阻抗以及輸出電容阻抗，從而降低輸出紋波和高頻噪聲。50Ω同軸電纜是輸出紋波電壓測量工具的理想之選。而MPS的產品 MPQ8633B 作為一款優秀的COT調節器，非常適合解決這些問題。
來源：MPS，作者：WEIRAN DAI Applications Engineer, MPS
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