解決開(kai)關(guan)模式(shi)DC-DC轉換器(qi)的噪聲和空(kong)間問題(ti)的PowerSoC

引(yin)言(yan)

　　轉(zhuan)換效(xiao)率(lv)促使FPGA系(xi)統(tong)設(she)計(ji)師(shi)從(cong)線(xian)穩壓(ya)器轉(zhuan)向(xiang)使用開(kai)關(guan)模式(shi)直(zhi)流-直(zhi)流轉換器(qi)。雖(sui)然開(kai)關(guan)模式(shi)直(zhi)流-直(zhi)流轉換器(qi)能夠顯著(zhe)提率(lv)，但卻(que)需(xu)要復(fu)雜(za)的(de)結構(gou)設(she)計(ji)，多(duo)的(de)部(bu)件數量和大(da)的(de)覆(fu)蓋(gai)區(qu);為明顯的是(shi)，對(dui)速(su)輸(shu)入/輸(shu)出單元(yuan)來(lai)說，開(kai)關(guan)模式(shi)直(zhi)流-直(zhi)流轉換器(qi)就等(deng)於(yu)噪聲源(yuan)。

　　本(ben)文描(miao)述了(le)開(kai)關(guan)模式(shi)直(zhi)流-直(zhi)流轉換器(qi)的噪聲分(fen)量，同時說明PowerSoC如(ru)何將(jiang)各分(fen)量降至zui低。本(ben)文也(ye)進(jin)步(bu)用設(she)計(ji)示(shi)例來(lai)說明PowerSoC如(ru)何令速(su)輸(shu)入/輸(shu)出單元(yuan)具(ju)有與(yu)線(xian)穩壓(ya)器媲(pi)美(mei)，甚至*的(de)能。

　　降(jiang)壓(ya)型直(zhi)流-直(zhi)流轉換器(qi)簡單模型

　　對(dui)MOSFET開(kai)關(guan)、電感器(qi)，以及(ji)輸(shu)入和輸(shu)出濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)即可(ke)組成個(ge)簡易(yi)的(de)同步開(kai)關(guan)模式(shi)直(zhi)流-直(zhi)流轉換器(qi)模型。圖(tu)1為轉換周(zhou)期中的(de)轉換器(qi)及(ji)其(qi)相(xiang)關(guan)的直(zhi)流和交(jiao)流電流通(tong)路。當(dang)SW1 閉(bi)合時（SW2開(kai)啟(qi)），電(dian)流從(cong)電(dian)源(yuan)流經電感器(qi)到(dao)達負載，輸(shu)入和輸(shu)出濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)實現頻(pin)交流電流的"分(fen)流".當(dang)SW2閉(bi)合時（SW1開(kai)啟(qi)），電(dian)感器(qi)儲存的電(dian)能在(zai)轉換周(zhou)期的後(hou)半(ban)段為負載提供電流。開(kai)啟(qi)和閉(bi)合(he)開(kai)關(guan)的動作(zuo)以及(ji)頻(pin)交流電流的流動都(dou)會產生噪聲。

　　圖(tu)1:同步降壓型直(zhi)流-直(zhi)流轉換器(qi)簡化模(mo)型之(zhi)完(wan)整(zheng)轉(zhuan)換周(zhou)期。紅色實線(xian)表(biao)示(shi)"直(zhi)流"電流的流動方向(xiang)，而紅(hong)色虛(xu)線表示(shi)頻(pin)交流電流的流動方向(xiang)。

　　直(zhi)流-直(zhi)流噪聲關(guan)鍵分(fen)量和降(jiang)噪策(ce)略(lve)

　　降壓(ya)型直(zhi)流-直(zhi)流轉換器(qi)地(di)將(jiang)直(zhi)流電壓"分(fen)成"交(jiao)流電壓，然(ran)後(hou)轉(zhuan)換回(hui)到(dao)偽(wei)直(zhi)流電壓。此(ci)過(guo)程(cheng)產(chan)生(sheng)了(le)四(si)種不(bu)同的噪聲：1） 轉換器(qi)直(zhi)流輸(shu)出側(ce)的紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)，2） 轉換器(qi)輸(shu)入電(dian)源(yuan)側的(de)紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)，3） 輻射電磁幹擾，和4）傳導(dao)電(dian)磁(ci)幹(gan)擾。

　　輸(shu)出電(dian)壓紋(wen)波(bo)

　　每(mei)個(ge)被(bei)動元(yuan)件除了本(ben)身(shen)的基(ji)本(ben)功能（電(dian)阻(zu)、電(dian)容、電感）外(wai)，還具(ju)有另外(wai)兩個(ge)寄(ji)生元(yuan)素(su)：如(ru)果是電(dian)容，即為等(deng)效(xiao)串(chuan)聯(lian)電(dian)阻(zu) （ESR） 和等(deng)效(xiao)串(chuan)聯(lian)電(dian)感 （ESL）;如(ru)果是電(dian)阻，則(ze)是等(deng)效(xiao)串(chuan)聯(lian)電(dian)感和等(deng)效(xiao)並(bing)聯(lian)電(dian)容(rong)。

　　輸(shu)出紋(wen)波(bo)是(shi)交(jiao)流紋(wen)波(bo)電(dian)流分(fen)流或(huo)流經輸(shu)出濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)時的副產物。圖(tu)2展(zhan)示(shi)了小(xiao)型的(de)輸(shu)出濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)信號(hao)模(mo)型，和該(gai)模型各(ge)成(cheng)分(fen)對輸(shu)出紋(wen)波(bo)波(bo)形(xing)的(de)作用(yong)。請(qing)註(zhu)意輸(shu)出濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)的ESL是(shi)由PCB引(yin)線(xian)的(de)寄(ji)生電感和轉(zhuan)換器(qi)的內(nei)部(bu)寄(ji)生電感結(jie)合形成。ESL通(tong)過感應"振(zhen)動"產生(sheng)頻(pin)信號(hao)。

　　圖(tu)2:輸(shu)出電(dian)壓紋(wen)波(bo)分(fen)量和來(lai)源(yuan)

　　大多(duo)數直(zhi)流-直(zhi)流轉換器(qi)供應商的(de)數據表(biao)顯示(shi)了低(di)通(tong)濾(lv)波(bo)紋(wen)波(bo)的(de)波(bo)形(xing)，因(yin)此(ci)通(tong)常無法(fa)穩定指示(shi)給定應用情況中PCB上(shang)測量得(de)到(dao)的(de)實際(ji)紋(wen)波(bo)。

　　降(jiang)噪策(ce)略(lve)

　　基本(ben)而言(yan)，要降低(di)輸(shu)出紋(wen)波(bo)可(ke)通(tong)過減小(xiao)紋(wen)波(bo)電(dian)流和 / 或(huo)降低(di)電容器(qi) 的(de)ESR和ESL以及(ji)PCB引(yin)線(xian)的(de)ESL.

　　●在(zai)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)較的(de)側(ce)操作(zuo)將(jiang)降低給定電感值(zhi)的紋(wen)波(bo)電(dian)流，從(cong)而可(ke)以使用較小(xiao)且ESR/ESL較(jiao)低(di)的陶(tao)瓷電容。但開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)的升會增加MOSFET開(kai)關(guan)的開(kai)關(guan)損(sun)耗，並(bing)影響(xiang)效(xiao)率(lv)。

　　●將(jiang)多(duo)個(ge)電容(rong)並(bing)聯(lian)可(ke)降(jiang)低ESR/ESL,就如(ru)將(jiang)電阻並(bing)聯(lian)以降低其合(he)成(cheng)電阻樣(yang)。隨(sui)著(zhe)電容(rong)個(ge)數增加(jia)，PCB ESL增(zeng)加，其效(xiao)果受到(dao)，並(bing)且將(jiang)增加轉換器(qi)的消(xiao)耗。

　　●使(shi)用(yong)小(xiao)尺寸的濾(lv)波(bo)元(yuan)件（電感器(qi)和電(dian)容(rong)）可(ke)以減少(shao)PCB的長(chang)度(du)，從(cong)而降(jiang)低(di)PCB ESL.可(ke)惜小(xiao)尺寸的電(dian)感器(qi)通(tong)常會(hui)導(dao)致(zhi)紋(wen)波(bo)電(dian)流較大，但不(bu)增(zeng)加(jia)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)。

　　●使用(yong)兩(liang)濾(lv)波(bo)，例如(ru)在(zai)直(zhi)流-直(zhi)流輸(shu)出濾(lv)波(bo)段和目(mu)標(biao)負載之(zhi)間使用(yong)鐵氧體磁珠(zhu)和電(dian)容(rong)。這種方法的缺(que)點(dian)在(zai)於(yu)額外(wai)的致(zhi)損(sun)耗元(yuan)件將(jiang)影響(xiang)調(tiao)壓(ya)效(xiao)果，並(bing)可(ke)能降(jiang)低(di)效(xiao)率(lv)。

　　輸(shu)入電(dian)壓紋(wen)波(bo)

　　隨(sui)著(zhe)SW1 MOSFET打(da)開(kai)和閉(bi)合(he)，電流從(cong)電(dian)源(yuan)（VIN）流出，形成(cheng)近(jin)似(si)矩(ju)形(xing)的脈沖波(bo)形(xing)。上(shang)升和下(xia)降(jiang)時間快(kuai)，大(da)約幾(ji)毫(hao)微(wei)秒(miao)。

　　與(yu)由(you)輸(shu)出濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)和PCB引(yin)線(xian)ESL產(chan)生的(de)輸(shu)出紋(wen)波(bo)相(xiang)似(si)，輸(shu)入濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)ESR和ESL,以及(ji)電(dian)源(yuan)PCB引(yin)線(xian)ESL產(chan)生輸(shu)入紋(wen)波(bo)。然(ran)而，隨(sui)著(zhe)電流時間比（di/dt）的變(bian)化增(zeng)大(da)，輸(shu)入電(dian)流紋(wen)波(bo)幅(fu)度(du)要大的(de)多(duo)。因(yin)此(ci)，PCB電(dian)感的(de)影響(xiang)為重(zhong)要，而輸(shu)入濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)必須耐受的(de)RMS電(dian)流。又大又快(kuai)的(de)開(kai)關(guan)電流也是傳導(dao)和輻射EMI（稍(shao)後(hou)將(jiang)探討）的主要來(lai)源(yuan)。

　　降噪策(ce)略(lve)

　　●與(yu)輸(shu)出濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)樣，在(zai)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)較的(de)側(ce)操作(zuo)將(jiang)可(ke)以使用較小(xiao)且ESR/ESL較(jiao)低(di)的陶(tao)瓷輸(shu)入濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)。同樣應註(zhu)意開(kai)關(guan)損(sun)耗將(jiang)變大。

　　●將(jiang)輸(shu)入濾(lv)波(bo)回(hui)路(lu)中(zhong)的(de)寄(ji)生電感降(jiang)至zui低。這主(zhu)要通(tong)過將(jiang)濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)盡可(ke)能靠(kao)近(jin)直(zhi)流-直(zhi)流轉換器(qi)，以及(ji)盡(jin)可(ke)能短且(qie)寬(kuan)的PCB引(yin)線(xian)來(lai)實現。通(tong)常不(bu)得(de)將(jiang)輸(shu)入濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)安裝(zhuang)在(zai)PCB的對邊(bian)且通(tong)過vias與(yu)直(zhi)流-直(zhi)流轉換器(qi)連(lian)接，否則(ze)會將(jiang)大量電感引(yin)入(ru)電(dian)流回(hui)路(lu)中(zhong)。

　　輻射EMI

　　●又大又快(kuai)的(de)開(kai)關(guan)電流流經輸(shu)入交(jiao)流電流回(hui)路(lu)會(hui)產(chan)生輻射EMI.如(ru)電(dian)磁(ci)場(chang)課(ke)程(cheng)所(suo)述(shu)，環(huan)形天線(xian)的輻射效(xiao)率(lv)是回(hui)路(lu)半(ban)徑(jing)相(xiang)對於(yu)輻射波(bo)長(chang)的(de)函數。

　　●公(gong)式(shi)1列(lie)出了環(huan)形天線(xian)輻射產生的功率(lv)與(yu)半(ban)徑(jing)r和波(bo)長(chang)λ的(de)關(guan)系(xi);h是自由空間常數。請(qing)註(zhu)意回(hui)路(lu)半(ban)徑(jing)存(cun)在(zai)r8關(guan)系(xi)，而波(bo)長(chang)存(cun)在(zai)λ4的關(guan)系(xi)。因此(ci)，在(zai)頻(pin)率(lv)較的(de)側(ce)操作(zuo)的顯著(zhe)優點(dian)是(shi)可(ke)使(shi)用較(jiao)小(xiao)尺寸的元(yuan)件，以縮(suo)小(xiao)輸(shu)入電(dian)流回(hui)路(lu)半(ban)徑(jing)。

　　降(jiang)噪策(ce)略(lve)

　　減少(shao)輸(shu)入交(jiao)流電流回(hui)路(lu)的(de)半(ban)徑(jing)。通(tong)過在(zai)較頻(pin)率(lv)側開(kai)關(guan)以使用較小(xiao)尺寸的陶(tao)瓷濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)，即可(ke)達到(dao)此(ci)目(mu)的(de)。同樣應註(zhu)意，如(ru)上(shang)文(wen)所(suo)述(shu)，開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)越，開(kai)關(guan)損(sun)耗也(ye)越(yue)大。

　　傳導(dao)EMI

　　傳導(dao)EMI有兩個(ge)主要來(lai)源(yuan)：先是(shi)輸(shu)入電(dian)壓幹線產生的(de)開(kai)關(guan)輸(shu)入電(dian)流，它(ta)會(hui)造成(cheng)電(dian)源(yuan)紋(wen)波(bo)（差(cha)模(mo)）和接(jie)地(di)彈(dan)跳（共模(mo)）EMI;其(qi)次則(ze)是在(zai)電路板PCB引(yin)線(xian)上(shang)的電(dian)感器(qi)磁通(tong)泄漏(lou)耦(ou)合。

降噪策(ce)略(lve)

　　●使用(yong)大小(xiao)合適的輸(shu)入濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)供應或(huo)過濾(lv)頻(pin)交流電源(yuan)，以便(bian)盡可(ke)能降(jiang)低(di)電(dian)源(yuan)幹線(xian)上(shang)的電流。

　　●將(jiang)輸(shu)入交(jiao)流電流回(hui)路(lu)中(zhong)的(de)寄(ji)生電感和 ESL 降(jiang)至(zhi)zui低。這可(ke)以通(tong)過在(zai)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)較的(de)側(ce)操作(zuo)實現，這樣(yang)就可(ke)以使用低 ESL 的(de)陶(tao)瓷電容器(qi)，從(cong)而縮(suo)小(xiao)回(hui)路(lu)半(ban)徑(jing)。需(xu)要再(zai)次強(qiang)調(tiao)的(de)是開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)越，開(kai)關(guan)損(sun)耗也(ye)越(yue)。

　　●讓(rang)輸(shu)入濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)的 PCB 引(yin)線(xian)盡(jin)可(ke)能短且(qie)寬(kuan)以降低引(yin)線(xian)電(dian)感。

　　●使(shi)用式(shi)電感器(qi)以降低磁漏(lou)。

　　PowerSoC作(zuo)為降噪策(ce)略(lve)

　　Enpirion於(yu)2004年推出(chu)*個(ge)PowerSoC .PowerSoC在(zai)單個(ge)IC套件中集(ji)成(cheng)了(le)完(wan)整(zheng)的(de)直(zhi)流 - 直(zhi)流轉換器(qi)，包括(kuo)器、柵驅(qu)動器(qi)、MOSFET開(kai)關(guan)、頻(pin)去(qu)耦(ou)，以及(ji)zui重(zhong)要的電(dian)感器(qi)。大多(duo)數 PowerSoC 只需(xu)要輸(shu)入和輸(shu)出濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)，因此(ci)整(zheng)個(ge)解決方(fang)案(an)既簡單又輕(qing)巧。

　　●使(shi)用的(de)深(shen)亞微(wei)米(mi)頻(pin) LDMOS 既可(ke)實現低開(kai)關(guan)損(sun)耗，又能集(ji)成(cheng)整(zheng)套(tao)的、驅(qu)動和開(kai)關(guan)元(yuan)件。低開(kai)關(guan)損(sun)耗可(ke)以實現開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)，例如(ru) 5MHz.

　　●、磁(ci)導(dao)率(lv)、小(xiao)體積(ji)的磁(ci)元(yuan)件可(ke)以實現zui低的(de)交流損(sun)耗和低(di)直(zhi)流電阻。小(xiao)體積(ji)的磁(ci)元(yuan)件和磁(ci)結(jie)構(gou)具(ju)有自特(te)，可(ke)以降低磁漏(lou)。開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)則(ze)允許使用尺寸小(xiao)的電(dian)感器(qi)。

　　●開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)還允(yun)許使用小(xiao)型的(de)輸(shu)入和輸(shu)出濾(lv)波(bo)電(dian)容(rong)，這樣(yang)來(lai)，可(ke)以縮(suo)小(xiao)輸(shu)入和輸(shu)出交(jiao)流回(hui)路(lu)的(de)尺(chi)寸，從(cong)而降(jiang)低(di)紋(wen)波(bo)和 EMI.

　　●套(tao)件布線經過(guo)設(she)計(ji)可(ke)進(jin)步縮(suo)小(xiao)輸(shu)入和輸(shu)出交(jiao)流濾(lv)波(bo)回(hui)路(lu)的(de)半(ban)徑(jing)，從(cong)而盡(jin)可(ke)能降(jiang)低(di)輻射和傳導(dao) EMI 以及(ji)紋(wen)波(bo)。

　　●套(tao)件設(she)計(ji)包括(kuo)射頻(pin)，旨在(zai)盡可(ke)能降(jiang)低(di)內(nei)部(bu)電(dian)路(lu)元(yuan)件內(nei)的(de)寄(ji)生阻抗(kang)以保持套(tao)件內(nei)的(de)頻(pin)交流電源(yuan)。

　　PowerSoC結果與(yu)離(li)散(san)實現方案(an)

　　圖(tu)3–6展(zhan)示(shi)了 PowerSoC 與(yu)離(li)散(san)式(shi)直(zhi)流 - 直(zhi)流轉換器(qi)實現方案(an)的對(dui)比結果。

　　圖(tu)3:4A大(da)小(xiao)的轉(zhuan)換器(qi)解決方(fang)案(an)區(qu)域對(dui)比。PowerSoC（左圖(tu)）的(de)輸(shu)入和輸(shu)出交(jiao)流電流回(hui)路(lu)小(xiao)，相(xiang)當(dang)於(yu)離散(san)式(shi)實現方案(an)尺寸的1/7.

　　黃(huang)色虛(xu)線方框(kuang)表示(shi)PowerSoC尺寸和離(li)散(san)式(shi)直(zhi)流-直(zhi)流轉換器(qi)的對(dui)比結果。

　　圖(tu)4:PowerSoC（左(zuo)圖(tu)）與(yu)離(li)散(san)式(shi)直(zhi)流-直(zhi)流轉換器(qi)實現方案(an)（右圖(tu)）的(de)輸(shu)出紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)對比。二(er)者使(shi)用相(xiang)同的設(she)備和在(zai)供應商評估板上測量紋(wen)波(bo)。測(ce)量帶寬為500MHz.

　　圖(tu)5:輻射EMI測量結果;CISPR22 B等(deng)3m.左圖(tu)為PowerSoC,右圖(tu)為離散(san)式(shi)實現方案(an)，均(jun)在(zai)供應商評估板上測量得(de)出(chu)。

　　圖(tu)6:輸(shu)入接(jie)地(di)端(duan)子上測(ce)量的傳導(dao)幹(gan)擾

　　采(cai)用(yong)Enpirion PowerSoC的(de)供電Rocket IO應用實例

　　設(she)計(ji)制(zhi)造的(de)子板插到(dao)Virtex 5開(kai)發(fa)板上（圖(tu)7）。對(dui)采(cai)用(yong)Enpirion裝(zhuang)置(zhi)驅(qu)動的(de)開(kai)發(fa)板和線(xian)穩壓(ya)器執(zhi)行(xing)同樣的抖(dou)動測量。分(fen)別測(ce)量Enpirion PowerSoC有兩濾(lv)波(bo)和無兩(liang)濾(lv)波(bo)的(de)效(xiao)果。抖(dou)動測量結果如(ru)表(biao)1所(suo)示(shi)。

　　表1. Rocket IO的(de)抖(dou)動測量結果

　　圖(tu)7:帶(dai)Enpirion PowerSoC的子板

　　結論

　　對FPGA設(she)計(ji)師(shi)而言(yan)PowerSoC強(qiang)效(xiao)的工(gong)具(ju)。這種(zhong)裝(zhuang)置(zhi)能夠減少(shao)從(cong)基(ji)於(yu)線穩壓(ya)器的(de)電(dian)壓轉換器(qi)向的(de)開(kai)關(guan)模式(shi)轉換器(qi)轉變(bian)過(guo)程(cheng)中(zhong)面(mian)臨(lin)的(de)諸多(duo)問(wen)題(ti)。 PowerSoC具(ju)有和線(xian)穩壓(ya)器相(xiang)似(si)的覆(fu)蓋(gai)區(qu)域，易(yi)於(yu)設(she)計(ji)，同時也擁(yong)有開(kai)關(guan)模式(shi)轉換器(qi)的率(lv)，卻可(ke)免(mian)去(qu)離(li)散式(shi)轉換器(qi)實現方案(an)的噪聲和復(fu)雜(za)度(du)。