如何优化超低噪声μModule稳压器的二阶输出滤波器

作者：George (Zhijun) Qian，高级模拟设计工程经理
Jennifer Florence Joseph Benedicto，高级设计评估工程师

问题

能否进一步降低超低噪声µModule^®稳压器的输出开关噪声？

回答

使用二阶输出滤波器可将超低噪声µModule稳压器的输出噪声降低90%以上。选择电容和电感元件时必须谨慎，以确保控制回路能够快速且稳定地运作。这种设计对于无线和射频应用特别有益，因为快速瞬态响应可有效缩短系统消隐时间并提升信号处理效率。此方法的噪声水平与LDO相当，效率堪比开关稳压器。

简介

噪声敏感器件的功耗不断提高。医疗超声成像系统、5G收发器和自动测试设备(ATE)等应用需要在面积较小的PCB上实现高输出电流（＞5 A）、低噪声水平和高带宽。由于对输出电流的需求较高，以前使用的传统双级（降压+低压差(LDO)稳压器）解决方案需要的PCB面积较大，导致功耗较高，因此不太受欢迎。

LTM4702超低噪声µModule稳压器采用ADI公司专有的Silent Switcher^®技术，兼具超快瞬态响应和超低噪声特性。得益于此，该器件的效率可与同步开关稳压器相媲美，是大电流和噪声敏感型应用的理想选择。在许多应用中，该解决方案可以省去LDO电路，从而节省约60%的LDO成本、至少4 W的LDO功耗以及2 cm²以上的LDO PCB空间（包括间隙）。

众所周知，对于某些要求开关频率纹波非常小的应用，二阶LC滤波器可以降低输出电压的开关频率谐波。然而，若是既要尽量减小开关纹波，又要维持控制环路稳定和其高带宽，仅依靠这种方法是不可行的，未经优化的LC滤波器会使控制环路变得不稳定，导致输出振荡。本文先分析了二阶LC滤波器的简化环路，然后提出了用于指导电容分配和电感计算的直观设计方法，最后通过LTM4702设计示例验证了所提出的设计方法。

图1.电流模式降压稳压器以及二阶LC及其典型波特图

二阶LC输出滤波器设计的环路分析

在电流模式降压稳压器中，输出阻抗是控制对象。图1为二阶LC的电路及其典型波特图。为了在有负载时仍能准确调节直流电压，需要检测V_OUT远端节点B。

从V_OUT到i_LO的转换函数为：


从转换函数（公式1）可知，二阶LC滤波器会引入频率为谐振频率的双极点。


从图1中的典型波特图可以看出，在谐振频率处存在陡峭的90°相位延迟。为确保稳定性，谐振频率应比控制环路带宽高4到5倍，这是为了避免可能导致不稳定的90°相位延迟。此外，为使开关频率纹波衰减到足够低的水平，此谐振频率应设置为开关频率的1/5到1/4，以便LC滤波器能够提供足够的滤波效果。开关频率下的衰减增益和控制环路带宽之间存在此消彼长的关系。但这种方法有助于选择谐振频率，并确定合适的LC值。

为了保持相似的负载瞬态性能，添加LC滤波器前后的输出阻抗应该保持一致。换句话说，无论有没有LC滤波器，输出电容都应该大致相同。根据以往的经验，图1中C2的电容值可以与未使用LC时相似，而C1可以使用小得多的电容，以便C1可以主导谐振频率位置。由于C1远小于C2，公式2可以简化为公式3：


建议C1至少为C2值的十分之一。选定C1之后，就可以使用公式3中的谐振频率计算出Lf值。通过检查实际元件的可用性，可以确定合适的C1和Lf值。

元件选择注意事项

在有效二阶LC滤波器设计中，电容和电感元件的选择至关重要。二阶LC滤波器需要在开关频率下提供足够大的衰减。超低噪声µModule稳压器的开关频率较高，约为1 MHz至3 MHz，因此二阶LC中的电感和电容需具备良好的高频特性。C2的选择要求与没有LC的设计类似，因此这里不作讨论。C1和Lf的选择标准如下。

►C1电容的选择标准。

1.C1的自谐振频率必须高于开关频率。开关频率下C1的阻抗是二阶LC设计的关键。建议使用陶瓷电容，其自谐振频率可参考其阻抗与频率的关系曲线来确定。通常，典型的0603或0805尺寸陶瓷电容是理想选择，其自谐振频率必须在3 MHz以上。

2.为了承受所需电流，RMS电流额定值应足够高。假设所有交流纹波都经过C1，那么陶瓷电容应能处理较大的RMS纹波电流。可参考陶瓷电容的温升与电流的关系曲线来确定其电流能力。根据经验来看，对于0603尺寸的电容器，约4 A rms是个不错的选择。

►Lf电感的选择标准

1.对于8A以下的输出电流，建议使用铁氧体磁珠，因为它具有良好的高频特性且尺寸紧凑。铁氧体磁珠也有助于抑制极高频率的尖峰¹。对于8 A以上的输出电流，或者需要较大电感，可能很难找到合适的铁氧体磁珠，因此建议使用传统的屏蔽电感。

2.选择RMS电流额定值足够大的铁氧体磁珠/电感，例如，对于8 A以下的输出电流，选择RMS电流额定值为8 A的电感。建议所选器件的电感值小于µModule器件电感值的10%。

超低噪声µModule设计示例

图2为LTM4702的设计示例。该方案兼具超低电磁干扰(EMI)辐射和超低有效值噪声特性，开关频率可在300 kHz至3 MHz范围内调节。在设计示例中，开关频率设置为2 MHz，以优化12 V_IN至1 V_OUT应用的噪声性能。根据所提出的LC滤波器设计方法，二阶LC的谐振频率设置为400 kHz至500 kHz，是开关频率的1/5至1/4。

图2.LTM4702示例电路和电路板照片

目标控制环路带宽为100 kHz，LC谐振频率是其4到5倍；C1使用两个0603 4.7 µF电容；铁氧体磁珠BLE18PS080SH1用作Lf，其尺寸为0603，如图2所示；C2仍使用两个1206 100 µF陶瓷电容；谐振频率为424 kHz。



噪声测量对比如图3所示。在2 MHz开关频率下，无LC的输出开关纹波为234 µV，添加0603铁氧体磁珠后大幅降低至15 µV。

图3.无LC的开关噪声(234 µV)与有LC的开关噪声(15 µV)

为尽可能降低噪声而添加的二阶LC滤波器，能够将控制环路带宽维持在100 kHz，并保持快速瞬态响应，恢复时间小于10 µs。这些结果可以通过对比有无LC滤波器的实验评估来确认。由于恢复时间在10 µs内，消隐时间可以忽略不计，这对于无线和射频应用是非常不错的表现。ADI公司的LTM4702帮助系统设计开发者解决了负载瞬态消隐时间挑战，避免了信号处理效率低下的问题。

图4的负载瞬态波形验证了添加二阶LC滤波器后，设计具有快速瞬态响应，并且恢复时间在10 µs内，与没有此滤波器的设计示例相比也毫不逊色。

图4.负载瞬态结果：无LC与有LC（恢复时间在10 µs内）

结论

如何在支持大电流应用的同时尽量减少噪声，并确保高效率和稳定性，是一项棘手难题。添加二阶LC滤波器可以显著降低噪声，但如果优化不当，可能会导致电路不稳定。为了在不影响稳定性的前提下尽可能地降低噪声，应使用优化的二阶LC滤波器。基于开关频率、控制环路带宽和谐振频率精心选择所需的电感和电容元件，可以有效降低开关噪声，同时保持快速瞬态响应和高带宽特性。

参考文献

1 Jim Williams.“AN101：尽可能地减少线性稳压器输出中的开关稳压器残留物”。凌力尔特，2005年7月。

关于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球领先的半导体公司，致力于在现实世界与数字世界之间架起桥梁，以实现智能边缘领域的突破性创新。ADI提供结合模拟、数字和软件技术的解决方案，推动数字化工厂、汽车和数字医疗等领域的持续发展，应对气候变化挑战，并建立人与世界万物的可靠互联。ADI公司2024财年收入超过90亿美元，全球员工约2.4万人。ADI助力创新者不断超越一切可能。更多信息，请访问www.analog.com/cn。

作者简介

Zhijun Qian是ADI公司电源模块高级设计经理，负责所有LTM80xx产品和部分LTM46xx/LTM47xx产品。他拥有浙江大学电力电子学士学位和硕士学位，以及美国中佛罗里达大学电力电子博士学位。他于2010年初加入ADI公司。

Jennifer Joseph是ADI工业和多市场业务部的高级设计评估工程师，主要负责电源模块业务。她于2015年获得印度Jeppiaar工程技术大学电气与电子工程学士学位，并于2018年获得美国亚利桑那州立大学电气工程硕士学位。毕业后，Jennifer曾担任产品工程师三年，后于2021年加入了ADI公司。