电源开关设计秘籍30例之秘籍2：驾驭噪声电源

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《电源开关设计秘笈 30 例》电子书收集了 TI 公司专家撰写的有关电源设计的 30 个秘笈

秘籍2：驾驭噪声电源
无噪声电源并非是偶然设计出来的。一种好的电源布局是在设计时最大程度的缩短 实验时间。花费数分钟甚至是数小时的时间来仔细查看电源布局，便可以省去数天 的故障排查时间。  
图 1 显示的是电源内部一些主要噪声敏感型电路的结构图。将输出电压与一个参 考电压进行比较以生成一个误差信号，然后再将该信号与一个斜坡相比较，以生成 一个用于驱动功率级的 PWM（脉宽调制）信号。  
电源噪声主要来自三个地方：误差放大器输入与输出、参考电压以及斜坡。对这些 节点进行精心的电气设计和物理设计有助于最大程度地缩短故障诊断时间。一般而 言，噪声会与这些低电平电路电容耦合。一种卓越的设计可以确保这些低电平电路 的紧密布局，并远离所有开关波形。接地层也具有屏蔽作用。

图 1 低电平控制电路的诸多噪声形成机会  
误差放大器输入端可能是电源中最为敏感的节点，因为其通常具有最多的连接组件。 如果将其与该级的极高增益和高阻抗相结合，后患无穷。在布局过程中，您必须最 小化节点长度，并尽可能近地将反馈和输入组件靠近误差放大器放置。如果反馈网 络中存在高频积分电容，那么您必须将其靠近放大器放置，其他反馈组件紧跟其后。 并且，串联电阻-电容也可能形成补偿网络。最理想的结果是，将电阻靠近误差放大 器输入端放置，这样，如果高频信号注入该电阻-电容节点时，那么该高频信号就不 得不承受较高的电阻阻抗—而电容对高频信号的阻抗则很小。  
斜坡是另一个潜在的会带来噪声问题的地方。斜坡通常由电容器充电（电压模式） 生成，或由来自于电源开关电流的采样（电流模式）生成。通常，电压模式斜坡并 不是一个问题，因为电容对高频注入信号的阻抗很小。而电流斜坡却较为棘手，因 为存在了上升边沿峰值、相对较小的斜坡振幅以及功率级寄生效应。  
图 2 显示了电流斜坡存在的一些问题。第一幅图显示了上升边沿峰值和随后产生 的电流斜坡。比较器（根据其不同速度）具有两个电压结点 (potential trip points)， 结果是无序控制运行，听起来更像是煎熏肉的声音。  
利用控制 IC 中的上升边沿消隐可以很好地解决这一问题，其忽略了电流波形的最 初部分。波形的高频滤波也有助于解决该问题。同样也要将电容器尽可能近地靠近 控制 IC 放置。正如这两种波形表现出来的那样，另一种常见的问题是次谐波振荡。
这种宽－窄驱动波形表现为非充分斜率补偿。向当前斜坡增加更多的电压斜坡便可 以解决该问题。

图 2 两种常见的电流模式噪声问题  
尽管您已经相当仔细地设计了电源布局，但是您的原型电源还是存在噪声。这该怎 么办呢？首先，您要确定消除不稳定因素的环路响应不存在问题。有趣的是，噪声 问题可能会看起来像是电源交叉频率上的不稳定。但真正的情况是该环路正以其最 快响应速度纠出注入误差。同样，最佳方法是识别出噪声正被注入下列三个地方之 一：误差放大器、参考电压或斜坡。您只需分步解决便可！  
第一步是检查节点，看斜坡中是否存在明显的非线性，或者误差放大器输出中是否 存在高频率变化。如果检查后没有发现任何问题，那么就将误差放大器从电路中取 出，并用一个清洁的电压源加以代替。这样您应该就能够改变该电压源的输出，以 平稳地改变电源输出。如果这样做奏效的话，那么您就已经将问题范围缩小至参考 电压和误差放大器了。
有时，控制 IC 中的参考电压易受开关波形的影响。利用添加更多（或适当）的旁 路可能会使这种状况得到改善。另外，使用栅极驱动电阻来减缓开关波形也可能会 有助于解决这一问题。如果问题出在误差放大器上，那么降低补偿组件阻抗会有所 帮助，因为这样降低了注入信号的振幅。如果所有这些方法都不奏效，那么就从印 刷电路板将误差放大器节点去除。对补偿组件进行架空布线 (air wiring) 可以帮助 我们识别出哪里有问题。

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