射頻通信計算機和其他新的移動系統可以充當不需要的噪聲和EMI的便攜式發生器，從而阻礙其自身的市場接受度。見證紐約拉瓜迪亞機場的近乎災難，其中筆記本電腦的EMI可能導致客機著陸系統故障。或者，考慮一下第一臺DOS掌上電腦，它因可聽見的開關穩壓器噪音而振動如此之大，以至于計算機可以直接“走”下桌子。

電源噪聲問題很少像這些情況那樣嚴重。相反，系統設計人員通常在研發階段解決問題;最終用戶間接地（如果有的話）將問題視為產品推出的延遲。

噪聲對于便攜式系統特別有趣，因為電源通常是定制設計，由負責邏輯板、模擬電路和其他子系統的同一團隊創建。因此，對于便攜式系統，您不能僅僅將電源采購為黑匣子，并保證最大輸出噪聲水平的規格。

用于GaAs MESFET的柵極偏置發生器為電源中的低噪聲要求提供了一個很好的例子。典型的砷化鎵發射器在共源配置中采用耗盡模式MESFET，因此柵極需要一個負偏置電壓。該電壓上的任何噪聲都會與RF信號混合并產生不需要的互調產物，進而在RF載波上產生不需要的AM邊帶。如果AM頻段落在RF信道內，則無法濾除，因此必須首先指定一個干凈的直流偏置電壓。

噪音類型

便攜式系統中的噪聲有多種形式。主要類型是輸入、輸出、輻射和微音。輸入噪聲通常包括反射紋波，其中開關模式電源的輸入電流噪聲與原始電源電壓的源阻抗相互作用。結合任何RF噪聲（可能由高速邏輯感應并通過電源耦合回輸入），由此產生的干擾會污染交流線路和電池電壓。

輸出噪聲是電壓噪聲，可能會擾亂對噪聲敏感的負載，例如Creative Labs（加利福尼亞州米爾皮塔斯）的SoundBlaster音頻電子設備。輻射噪聲可以是電磁噪聲或靜電噪聲，通常起源于磁性元件，例如變壓器和電感器、開關和整流器或具有大而快速電壓擺幅的開關節點。

微音噪聲是可聽見的聲音，其通常原因是低頻開關波形激勵線圈繞組并使它們機械地相互振動。通常可以通過提高最小頻率或在繞組上涂清漆來解決此問題。

便攜式系統中最糟糕的噪聲發生器幾乎從來都不是電源本身。例如，從電源設計人員的角度來看，筆記本電腦由電池、電力電子設備和許多相對不重要的負載組成，例如CPU、RAM和I / O。從這種以功率為中心的角度來看，CPU是一個產生大量噪聲和EMI的大熱源。

將EMI嗅探器對準典型的便攜式設備通常會顯示系統時鐘是最差的噪聲信號，而電源噪聲相對較低。這種相對重要性也適用于傳導噪聲;時鐘CMOS邏輯系統中由動態負載變化引起的開關噪聲通常在電源軌上產生的電壓噪聲遠遠大于開關電源本身。啟停時鐘操作給電源帶來殘酷的50A/msec負載瞬變，會產生特別麻煩的電壓噪聲。

當負載在電源軌上產生噪音時，誰應該受到責備？邏輯設計人員可以很容易地責怪電源設計人員，說“如果可憐的電源具有較低的輸出阻抗，我所有的邏輯噪聲都會分流到地，每個人都會很高興。關鍵是負載引起的噪聲是一個系統設計問題。為了確保每個人都滿意，包括采購部門，邏輯和電源設計人員必須合作。

啟停時鐘操作說明了這種合作需求。通常的暴力破解方法用于解決大負載瞬變引起的Ldi/dt尖峰，這種方法非常昂貴：在負載上連接低阻抗旁路電容器，使瞬變在到達電源時更小、更慢。這種方法有效，但其他方法可能更具成本效益和空間效率。

例如，如果直流輸出容差更嚴格，例如±2%而不是±5%，則Ldi/dt驟降和過沖不需要攜帶V外超出邏輯可以容忍的限制。換言之，更嚴格的基準電壓容差可以通過減小濾波電容器的尺寸和成本來改善系統。

拓撲權衡

開關模式電源的拓撲結構、開關和儲能元件之間的連接配置對輸出噪聲有很強的影響。對于便攜式系統，電池輸入電源的首選拓撲通常是五種基本類型之一：降壓（降壓）、升壓（升壓）、降壓-升壓、反激式或 Royer。

簡單性和高效率是降壓和升壓拓撲在便攜式系統中極為常見的原因。降壓和升壓配置幾乎是彼此的鏡像，這使得它們可用于說明DC/DC轉換器中的噪聲問題。降壓和升壓拓撲密切相關。如果將電壓源連接到其輸出端，將負載電阻連接到其輸入端，則帶有同步整流器的降壓穩壓器將作為升壓轉換器反向工作并升壓。

開關模式穩壓器中的功率電感有時可用作開關動作產生的斬波電流波形的濾波器。對于降壓電路，電感濾波電流進入輸出濾波電容。對于升壓電路，電感器濾除來自輸入濾波電容的電流。因此，降壓穩壓器的輸出相對安靜，升壓穩壓器的輸入相對安靜（圖 1）。這兩種拓撲是雙重拓撲，因為一個是另一個的逆拓撲。通過為給定應用選擇電池電壓（低與高），您可以選擇在更敏感位置將噪聲降至最低的電路拓撲。

圖1.通過選擇降壓 （a） 或升壓 （b） 穩壓器（它們彼此相反），您可以選擇主要噪聲的位置。降壓穩壓器具有噪聲輸入和安靜輸出;升壓穩壓器具有安靜的輸入和嘈雜的輸出。

如果系統具有噪聲敏感負載，則輸出噪聲比輸入噪聲更重要。對于此類系統，降壓轉換器應用受益于良性電感電流波形。由于缺乏尖銳的電流階躍，這些波形不會產生高頻輸出噪聲尖峰。其他一些開關穩壓器拓撲確實會產生這些尖峰，因為波形與電容器的走線電感和有效串聯電感（ESL）相互作用。降壓轉換器輸出端的任何“哈希”噪聲（超高頻噪聲尖峰）可能只是示波器探頭接地引線通過拾取EMI產生的幻象噪聲。開關節點的雜散電容會引入二階效應，也可能導致輸出哈希，但這種效應通常難以察覺。

在連接示波器探頭之前，測量點不存在幻影噪聲;但這種噪聲值得關注，因為EMI進入敏感電路就像進入探頭的接地引線一樣容易。您可以通過減慢開關波形的上升和下降時間以及降低承載大量開關電流的路徑的電感來降低對EMI的敏感性。然而，為了完全消除幻象噪聲，必須用鋼或μ金屬屏蔽敏感電路，而不是銅。

降壓轉換器在其深度連續導通模式下工作，其中電感電流在每個開關周期內不會恢復到零，通過降低紋波電流幅度進一步降低輸出噪聲。通過增加電感值獲得連續導通。因此，懲罰包括電感較大、繞組中 I2R 損耗越大而導致效率降低，以及較大電感器的壓擺率較低，負載瞬變響應較慢。

斬波電流波形產生噪聲

升壓轉換器的輸出電容承受的突然電流階躍等于整個峰值電感電流，而不僅僅是紋波分量，因為整流二極管會斬波電感電流。這些高幅度快速移動的電流轉換在與輸出電容的ESL和等效串聯電阻（ESR）相互作用時會產生一些噪聲。除了ESR引起的大電壓階躍外，ESL還會在開關波形的前沿和后沿引起微小的高頻哈希尖峰。

通過在電源線中使用簡單的RC濾波器（例如串聯的0.1（ohm）電阻和接地的0.1μF陶瓷電容器，可以輕松抑制這些幅度通常達到數百毫伏的高頻尖峰。通常，連接電源和負載的導線的寄生電感足以消除這些哈希尖峰。

輸入濾波電容未抑制的輸入電流噪聲（由于與輸入電容相關的ESR和ESL過高）返回到電池和AC適配器。同樣的噪音會污染連接到電池的其他負載。如果噪聲導致電池線或交流適配器電纜充當天線，則產生的EMI可能違反FCC規定。

降壓拓撲穩壓器中的輸入濾波電容需要承受大電流階躍;在升壓電路中，該電容器的電流由柔和斜坡組成。與升壓情況下的三角波相比，降壓穩壓器的斬波方波輸入電流具有較高的初始幅度，并且包含可能導致RFI的高頻分量。傅里葉分析表明，方波諧波以每十年20dB的速度滾降，而三角波每十年滾降40dB。遺憾的是，便攜式系統常用的另外兩種拓撲，降壓-升壓和反激式，在輸入和輸出端都有斬波紋波波形。

輸出濾波電容中的寄生電感和電阻是開關模式穩壓器輸出端電壓噪聲的主要原因。輸出噪聲的次要原因是該電容器的有限值。電流脈沖，即穩壓器注入的電流脈沖或負載中的數字開關噪聲，與電容器的 ESR 和 ESL 相互作用，產生電壓階躍和尖峰（圖 2）。

圖2.開關模式穩壓器開關頻率處的紋波電流會導致ESR引起的噪聲階躍。快速上升的電流邊沿會導致 ESL 引起的哈希峰值 （a）。（b）中的照片清楚地顯示了ESR和電容的影響，但ESL引起的高頻尖峰是不可見的。這款175kHz、5V至12V轉換器工作在不連續模式下，因此ESR階躍僅存在于三角電流波形的前緣。

ESR引起的噪聲遵循歐姆定律：峰峰值噪聲等于ESR乘以電流脈沖幅度。ESL引起的噪聲的幅度與ESL的乘積和電流脈沖邊沿的變化率成正比。例如，如果將上升時間為1nsec的20A脈沖注入ESL通常為4nH的鉭電容器，則結果是4nHx（1A/20nsec）= 200mV的尖銳Ldi/dt尖峰。

開關噪聲還具有引起泛光效應的容性成分：快速轉換電感電流返回輸出，然后在開關周期的后半段以RC方式衰減，因為輸出電容放電到負載中。每個循環傾倒的電荷量和濾波器的容量決定了電容性泛光和衰減的量。這種容性紋波通常不如ESR和ESL效應那么明顯，因為對于給定的ESR和ESL水平，典型的電解和鉭電源電容器具有相對較大的電容量。

換言之，電阻和電感而不是電容在開關頻率下主導電容器的交流阻抗。然而，隨著設計人員開始使用500kHz或更高的開關頻率，并因此轉向陶瓷濾波電容器，這一規則正在發生變化。與鋁電解電容器和鉭電容器相比，陶瓷類型在給定的成本和尺寸下具有較小的電容。此外，在電荷量相同的情況下，降低電容會導致更大的電壓變化。

作為終極噪聲消阻器，許多設計人員在他們的工具箱中保留了一個怪物電容器，例如三洋OS-CON 2200μF，有機半導體，固體鋁器件（ESR約為5m（ohm））或用于高頻工作的100μF多層陶瓷電容器。這些專用電容器是偉大的噪聲殺手，更多的是因為它們的超低ESR和ESL，而不是它們的大電容。相比之下，220μF、10V AVX TPS 表貼鉭電容器的 ESR 約為 60m（ohm） 和 4nH ESL，而 1μF 單片陶瓷電容器的 ESR 約為 10m（ohm） 和 100pH ESL。

除了濾波電容的缺陷外，開關穩壓器輸出噪聲的主要原因是電路拓撲和工作點。電感的凈效應、輸入和輸出電壓之比以及開關頻率決定了傾倒到輸出端的電流脈沖的幅度和形狀。

開關模式穩壓器的控制環路通常僅對穩壓器的輸出噪聲產生次要影響。例如，電流模式PWM控制的噪聲特性與占空比（電壓模式）PWM非常相似。這條規則確實有一些明顯的例外。在簡單的遲滯反饋環路中，輸出紋波在兩個比較器閾值電壓之間波動，而在脈沖跳躍脈沖調頻（PFM）穩壓器中，開關頻率是負載電流的函數。

不穩定的控制環路也會導致輸出噪聲增加。例如，斜率補償不當的電流模式PWM穩壓器會出現階梯式電感電流波形，其峰值電流超過正常工作條件的正常水平。然后，這些峰值電流流過輸出電容ESR，從而產生高水平的紋波電壓。

在示波器上觀察開關穩壓器的輸出噪聲波形可以揭示穩壓器的工作情況。ESR的影響通常主導輸出噪聲，因此電壓紋波反映了電感電流波形。通過實踐，您可以識別工作參數，例如占空比、電感飽和、不連續工作和電流模式內環路不穩定性，而無需連接電流探頭或插入與電感器或變壓器串聯的檢流電阻。

脈沖跳躍PFM與PWM控制方案

盡管PFM控制因其輕負載效率超過PWM而在電池供電設備中變得普遍，但實際PFM操作鮮為人知（圖3，a和b）。PFM值得研究，因為該方案展示了一些有關穩定性和頻域效應的重要問題。

固定頻率PWM（圖3、c和d）提供了所有控制架構中最穩定和可預測的噪聲性能。您可以選擇開關頻率及其諧波，使音頻頻段或選定的RF頻段保持無開關噪聲。對于要求苛刻的應用，您可以通過將PWM控制器同步到外部時鐘來消除振蕩器頻率的誤差和漂移。并非所有PWM架構都具有固定頻率;遲滯和恒定關斷時間架構是可變頻率類型。

圖3.雖然脈沖跳躍PFM轉換器（如時鐘（a）和遲滯（b）型）比PWM轉換器噪聲更大，但具有極高的輕負載效率，因此在電池供電系統中很受歡迎。PFM 轉換器通過在輕負載時降低脈沖來降低開關損耗。PWM轉換器，例如（c）中的占空比控制電壓模式轉換器和（d）中的電流模式轉換器，通常以恒定頻率切換。

變頻PFM很流行，因為它延長了掛起和待機操作模式下的電池壽命。在輕負載下，PFM 系統通過以極低的頻率開關來最大限度地降低開關損耗。這些低頻導致開關噪聲下降到音頻頻段。這種低頻噪聲是不受歡迎的，因為低頻濾波器需要大而昂貴的LC元件。

此外，一些設計人員不喜歡PFM轉換器，因為這些轉換器的反饋環路本質上是不穩定的。這一點提出了一些有趣的考慮，例如穩定性和噪聲之間的關系。您必須問不穩定的轉換器是否本質上比穩定的轉換器更嘈雜。您還必須定義穩定性。穩定性的一些標準是增益/相位圖上的裕量為 50°，示波器可以輕松觸發的干凈且規則的開關波形，以及 V外當您使電源電壓承受較大的線路和負載瞬變時，這不會超過允許的輸出容差。PFM或遲滯PWM穩壓器可以滿足所有這些通用標準，但仍然不穩定，但這種不穩定性不一定是問題，除非在最苛刻的應用中。

從最嚴格的意義上講，您必須將除頻域外在任何地方都穩定的電源視為不穩定。這種嚴格的穩定性定義對音頻和RF設計人員非常有用，他們必須忍受電源操作的傳導和輻射副產品。這些副產物包括基波開關頻率倍數的噪聲諧波。例如，如果負載變化使PFM電源的可變開關頻率低于455kHz IF頻帶，則RF調制解調器設計人員會感到不滿。

PFM轉換器和其他不穩定轉換器的幅度和頻率通常比穩定轉換器噪聲更大。這種較高噪聲的原因取決于轉換器的設計和問題。例如，PFM轉換器在每個開關周期開始時將固定量的電流釋放到輸出中。因此，即使在輕負載下，輸出電容也會受到大幅度電流脈沖的沖擊。通過添加另一個濾波電容，可以輕松消除產生的噪聲幅度，該幅度通常比PWM轉換器高25%至100%。另一方面，PWM轉換器不允許峰值電感電流接近限流閾值，除非存在過載或其他故障。相反，PWM轉換器的連續可變占空比導致峰值電流徘徊在與負載電流成比例的某個中間電平附近。

PFM在頻域上不如PWM。但是，您通常可以選擇元件值，強制PFM轉換器在最小負載條件下高于音頻頻段工作（圖4）。例如，通過調整一次性定時電容來降低PFM穩壓器的最大導通時間，可以提高最小開關頻率。這種方法的唯一缺點是，由于開關損耗較高，效率會略有下降。

圖4.重載時，MAX782電池供電的DC/DC轉換器工作在固定頻率PWM，噪聲集中在300kHz基波開關頻率和相關諧波（a）。在較輕負載時，電路自動切換到PFM模式。然后，明智地選擇元件，使所有大于20mA （b）的負載的開關噪聲保持在50kHz以上。

輸出噪聲與頻率的關系

脈沖跳躍PFM穩壓器產生的額外噪聲通常無關緊要，除非在要求苛刻的應用中，例如緊湊包裝的蜂窩電話或18位立體聲適配器。筆記本電腦和其他以數字為主的系統對電源紋波具有很強的耐受性。此外，峰值電流在便攜式系統中典型的功率水平下是良性的，因此產生的噪聲很少令人頭疼。

從FCC/VDE認證的角度來看，PFM穩壓器的隨機可變頻譜優于PWM穩壓器的固定開關頻率。FCC 在指定頻段中查找高于特定水平的噪聲。固定頻率PWM轉換器在開關頻率及其諧波處產生噪聲峰值，但PFM轉換器的隨機噪聲通常會在更寬的頻率范圍內傳播。

最近的電池供電型開關穩壓器可用作固定頻率PWM轉換器或脈沖跳躍PFM轉換器，具體取決于負載電流。圖1中的IC5就是這樣一個例子，它將這一概念向前推進了一步。該 IC 提供噪聲抑制控制輸入 SKIP，可覆蓋 PFM 和 PWM 模式之間的正常自動切換。相反，SKIP 會強制固定頻率操作，而不考慮負載。因此，在激活噪聲敏感負載（如RF發射器）時，系統必須將SKIP拉低。

圖5.該電流模式PWM控制器IC具有兩個低噪聲特性：一個用于將內部振蕩器與外部時鐘同步的輸入，以及一個模式控制輸入（SKIP），可以覆蓋PWM和PFM之間的正常自動切換，從而即使在空載時也能強制固定頻率連續導通操作。

審核編輯：郭婷