EMC----電源噪聲處理實例

引言：DC-DC在其輸出電壓中包含紋波和開關噪聲，因此它們不適合作為需要精確輸入電壓的應用(例如傳感器)的電源。一般對策包括將LDO連接到DC-DC的輸出，以抑制紋波和開關噪聲，但在包括負載的各種條件下，可能難以抑制紋波和開關噪聲，并且開關噪聲可能傳播。作為額外的對策，可以將低通濾波器連接到DC-DC的輸出端，然后將它們作為電源連接到LDO。

1.紋波和開關噪聲的產生及抑制方法

盡管DC-DC產生紋波和開關噪聲，但是可以通過根據PSRR(電源抑制比)將LDO連接到輸出來抑制噪聲，然而由于LDO的有限頻率特性，LDO的PSRR在高頻下降低，如圖11-1所示，由于開關頻率很高，范圍從幾百kHz到幾MHz，開關噪聲還是會疊加在線性調節器的輸出上。

圖11-1：由于LDO的有限頻率特性，PSRR在高頻時降低

當開關噪聲疊加在輸出上時，可能不滿足傳感器輸入的精度要求，為了在高頻區域增加PSRR，如圖11-2將低通濾波器連接到DC-DC的輸出以抑制高頻，盡管頻率仍然保持在低頻區域，但這些頻率可以用LDO抑制，從而抑制寬頻段的開關噪聲輸出。

圖11-2：用低通濾波器抑制開關噪聲

2. LDO的PSRR的測量方法

根據LDO的PSRR特性確定開關噪聲的抑制率，PSRR的增益越高，抑制率越高。PSRR的測量電路如圖11-3所示，在LDO的輸入端疊加20mV交流紋波電壓然后輸入LDO，在1mA、10mA和100mA的輸出負載件下進行測量。

圖11-3：PSRR的測量方法

當DC-DC輸出用作LDO的電源時，從圖11-4可以看出PSRR在開關頻率(1.25MHz)附近較低。此外PSRR隨著輸出負載的增加而降低，這表明開關噪聲是傳播的，因此為了補償LDO的頻率特性，有必要在DC-DC輸出和LDO之間插入低通濾波器。在本節應用中，如
圖11-5 ，LC濾波器用作低通濾波器。

圖11-4：頻率-PSRR特性曲線

3. 低通濾波器的參數設計

當需要低通濾波器時，可以使用SPICE模型來仿真執行詳細檢查。使用L=47uH(串聯電阻DCR=5Ω)的LQH2MCN470K02(Murata)和C=10uF的GRM188B31A106KE69(Murata)作為部件進行圖11-6仿真。

例如，在圖11-6中，最大電流設置為100mA，Vout相對于Vin下降至0.5V，此外，所用線圈的額定電流為120mA。

圖11-6：低通濾波器頻率特性測量圖像

根據

截止頻率為7.35kHz，如圖11-7所示，由于頻率響應在30kHz附近為-23dB，PSRR降低，在500kHz附近為-70dB，因此可以預期PSRR可以得到改善。

圖11-7：低通濾波器的頻率特性

4. PSRR&低通濾波器

圖11-8顯示了包括低通濾波器的測量電路，如上所述，當輸出負載為1mA、10mA和100mA時，測量PSRR特性，每個輸出負載條件下的PSRR測量結果如圖11-9所示。

圖11-8：包括低通濾波器的LDO PSRR測量電路

圖11-9：包括低通濾波器的LDO的PSRR

由于在開關頻率為1.25MHz的DC-DC的所有負載條件下，PSRR超過60dB，因此使用低通濾波器抑制了開關噪聲。

5. 防止開關噪聲傳播的電路設計

首先檢查DC-DC的開關噪聲大小，DC-DC與電源相連。使用DC
Block(PSPL5501A)分離開關調節器的開關噪聲，并將信號輸入頻譜分析儀以進行成分分析。分析結果如圖11-11顯示，在開關頻率的倍數處出現峰值。

圖11-10：開關噪聲的信號分析方法

圖11-11：開關噪聲信號分析結果

接下來，將低通濾波器連接到DC-DC的輸出，并將LDO連接到低通濾波器，將直流模塊連接到LDO的輸出端，并將輸出信號輸入頻譜分析儀，成分分析結果如圖11-13所示。

圖11-12：帶LDO和低通濾波器的開關噪聲抑制電路

圖11-13：開關噪聲降低的信號分析結果

從圖11-14可以確認，該電路抑制了開關噪聲。

圖11-14：用LDO和低通濾波器抑制開關噪聲的結果

當DC-DC的輸出用作LDO的電源時，無法抑制的開關噪聲可能疊加在輸出上，為了抑制這種噪聲，在DC-DC和LDO之間插入低通濾波器是非常有效的。