降压稳压器输出电压纹波测量中的高频噪声

作者：Yu Yan，资深应用工程师

摘要

与低压差(LDO)稳压器相比，开关电源具有更高的效率和更强的功率处理能力。但与此同时，功率场效应晶体管(FET)的快速开关瞬态过程会产生向周围辐射的电磁噪声。在测量输出电压纹波时，这类辐射噪声可被检测到，并表现为高频噪声。倘若测试设置不当，可能会影响开关电源的真实性能表现。本文分析了电压测量中出现高频噪声的根本原因，并阐述客户是否需要为这类噪声担忧。文章通过Ansys Maxwell仿真模拟电源周围的辐射磁通分布，直观呈现辐射效应。此外，本文提出了一种可测量电路中实际输出电压纹波并识别高频噪声引发的潜在问题的方法。

引言

在众多应用中，开关电源凭借高效率、高功率等优异特性，成为事实上的唯一选择。降压型功率转换器是目前应用最广泛的拓扑结构，通过脉冲宽度调制(PWM)控制开关特性，实现功率传输调节。但与此同时，功率FET在纳秒至数十纳秒级的快速开关瞬态过程中会引入高频噪声。例如，在对噪声敏感的应用中，如果电源产生的高频电压尖峰与时钟信号叠加，将会导致ADC、ASIC、FPGA等负载器件工作异常甚至失效。因此，明确高频噪声的根本成因、识别噪声问题，并找到抑制或消除其影响的可行方案至关重要。而正确的噪声/纹波测量方法尤为关键。

降压转换器的典型输出电压纹波

在典型降压转换器中，电感与电容构成滤波网络，为开关动作产生的交流信号提供传导通路径。电感电流包含交流分量和直流分量。大部分交流分量将流入输出电容，而直流分量只流向负载。若不考虑元件寄生参数（如图1a所示），输出电容两端的输出电压纹波为平滑波形（如图1b所示）。

图1.简化降压转换器：(a)无寄生参数的电路；(b)开关波形

若考虑输出电容的寄生电阻与寄生电感（如图2a所示），输出电压纹波会发生显著变化（如图2b所示）。

图2.包含寄生参数的输出电容：(a)简化电路；(b)输出电压波形

图2b中波形的交流分量主要分布在开关频率附近，范围为数百kHz至数MHz。但在实际测试中，输出电压通常会出现更高频率的分量，频率约为数百MHz。功率电感的寄生电容可为这些数百MHz的信号提供从开关节点到输出端的导通路径，如图3所示。

图3.考虑电感寄生电容时的输出电压纹波：(a)开关节点至输出端的导通路径；(b)开关波形

图4a给出了基于LTM4628 µModule®降压稳压器的输出电压测量示例,可以清楚观察到开关频率波形与高频尖峰。而当探头相对于电路板从垂直方向改为水平方向时，测得的输出电压纹波从54mV降至42mV，如图4b所示。图5展示了输出电压的测量方式。若仅考虑导通路径上产生的输出电压纹波，测量结果不应随探头位置改变。同时，探头拾取的高频噪声与开关动作同步。因此，探头额外拾取的高频噪声很可能是快速开关瞬态过程中，热环路内高di/dt所感应的辐射噪声。

图4.采用通用无源探头测量LTM4628的输出电压纹波：(a)探头垂直于演示板；(b)探头水平于演示板

图5.输出电压纹波测量设置：(a)探头垂直于演示板；(b)探头水平于演示板

为进一步验证探头位置所带来的差异，分别采用通用探头、BNC线缆及有源差分探头来测量输出电压纹波，如图6所示。如图所示，通用探头需要额外弹簧作为接地回路，因而测量环路更大。

表1给出了不同探头的测量结果。与垂直放置测量相比，探头水平放置时测得的高频尖峰均更低。此外，使用通用探头时的水平放置测量结果，要高于使用BNC线缆与差分探头时的测量结果。

图6.不同的探头：(a)通用探头；(b)BNC线缆；(c)差分探头

表1.采用垂直与水平测量方式时，不同探头测得的输出电压纹波

为理解输出电压纹波测量中出现的异常现象，基于简化后的LTM4628物理结构搭建了如图7a所示的Maxwell仿真模型。热环路1由模块内部的MOSFET与内部输入电容构成；热环路2由MOSFET与演示板上模块附近的外部输入电容构成。向热环路1和热环路2均注入300MHz的等效电流，以模拟开关瞬态过程中热环路内的高di/dt效应。图7b展示了模块周围的磁场（H场）分布。在演示板上方、模块周围区域的H场强度显著更高，表明热环路产生的磁通极易被探头测量环路拾取。

图7.Maxwell有限元分析(FEA)仿真：(a)仿真模型；(b)H场分布

图8给出了放大后的H场分布，以便更详细地说明不同探头位置导致测量结果差异的根本原因。在图8中，等效垂直测量环面所能拾取的磁通量约为水平测量环面的8倍。这是由于演示板上的厚铜铺面对高频磁通具有衰减作用，可以阻挡磁通穿透。因此，大部分磁通将沿演示板表面水平流动。

图8.输出电容周围的详细磁通分布

图9更直观地展示了垂直测量环路为何能拾取更多由热环路产生的磁通。探头的正极探头、负极或接地探头、探头内部的回流路径共同构成一个类似天线的环路，可拾取开关稳压器周围的高频磁通。

图9.VOUT测量环路所拾取的额外辐射噪声

为进一步验证这一原理，采用带屏蔽的同一款探头测量输出电压(VOUT)纹波，如图10所示。手动将铜箔环绕到差分探头上形成屏蔽层，探头也将垂直于演示板。

图10.采用差分探头的VOUT测量：(a)无屏蔽；(b)带铜箔屏蔽

结果表明，与图10a无屏蔽测量相比，图10b中采用屏蔽探头后，高频噪声显著降低。除高频噪声外，两幅图中的开关频率纹波基本一致。此外，基于图3所分析，由于电感寄生电容的影响，输出电容两端会存在高频纹波，如图10b中的波形所示。

图11.VOUT测量结果：(a)无屏蔽：114.4mV；(b)带屏蔽：27.2mV

结语

快速开关瞬态会在热环路中产生高di/dt。对于降压转换器的输出电压纹波，电感寄生电容所形成的导通路径会在高di/dt作用下引入高频噪声。

但在实际的VOUT纹波测量中，往往会拾取到频率更高的噪声，且这类噪声同样与开关动作同步。这种额外纹波同样是由热环路中高di/dt所产生的辐射噪声。同时，高频尖峰幅度会随探头在演示板上的位置而变化。Ansys仿真结果表明，垂直测量结构相比水平测量结构，能够拾取热环路产生的更多高频磁通。

为进一步验证此结论，采用带屏蔽探头对输出电压纹波进行了测量。结果显示，与无屏蔽探头相比，带屏蔽探头测得的高频噪声显著降低，证明探头确实会拾取额外的高频辐射噪声。电路板上COUT两端真实的VOUT纹波，小于探头测量得到的VOUT纹波值。