不同切換開關穩壓器拓撲的雜訊特性

作者: ADI 應用工程師Frederik Dostal


目前我們可看到許多不同的切換開關穩壓器拓撲。有些拓撲應用十分廣泛,例如經典的降壓型轉換器,也稱為降壓轉換器。然而,也有一些鮮為人知的切換開關模式DC-DC轉換器,包括Zeta拓撲。這些拓撲分為基本拓撲和擴展拓撲。基本拓撲只使用兩個切換開關、一個電感和兩個電容。它們都屬於非隔離式切換開關穩壓器;亦即,未進行電氣隔離的切換開關穩壓器。此類拓撲包括降壓轉換器、升壓轉換器及反相升降壓拓撲。所有其他拓撲都需要額外的元件。例如,SEPIC轉換器還需要耦合電容和第二電感。除了非隔離式切換開關穩壓器外,還有一些穩壓器是透過變壓器來實現電氣隔離。

電路設計人員通常將電源視為黑盒子或4極元件。其具有兩個輸入線路和兩個輸出線路。圖1所示為DC-DC轉換器的框圖符號。頂部是非電氣隔離式DC-DC轉換器,底部則為電氣隔離式轉換器。

A switch-mode power supply shown as a black box

圖1. 切換開關模式電源顯示為黑盒子

圖1中未體現端子的雜訊特性。不同的切換開關穩壓器拓撲在2埠網路端子處具有不同的雜訊特性。圖2顯示適合工業應用的ADP2441通用降壓轉換器。它可以將24 V輸入電壓轉換為3.3V輸出電壓。採用這種拓撲時,可以看出輸入側會產生脈衝電流,因此其雜訊很大。當ADP2441上的高端開關導通時,電流流入端子A。當此切換開關關斷時,沒有電流流經節點A。但是,輸出端C的雜訊很小。其中,輸出路徑中的電感可確保輸出端沒有脈衝電流。

Practical design of a switching regulator topology

圖2. 實際的切換開關穩壓器拓撲設計

表1總結了切換開關穩壓器基本雜訊特性,為系統設計人員的概念設計提供了重要參考。表中列出了最常見的切換開關穩壓器拓撲。第一行指示輸入端(即2埠網路的端子A和B)的雜訊水準高低。第二行指示相應拓撲的輸出端(即2埠網路的端子C和D)雜訊水準高低。表1顯示了雜訊水準的高低。

表1. 常用切換開關穩壓器拓撲及其輸入和輸出端雜訊特性概覽

降壓 升壓 反相 降壓-升壓 反馳式 SEPIC Cuk 4切換開關降壓-升壓
輸入端雜訊
輸出端雜訊

例如,使用單獨的LC濾波器進行額外濾波,可以大幅減少切換開關穩壓器電路中的傳導雜訊。透過這種方式,可以避免出現表1中的高雜訊。然而,系統設計人員應清楚哪些DC-DC轉換器在哪些端子具有很高的雜訊。這樣,他們就可以預先考慮相應的濾波器,以及這些濾波器必須佔用的額外空間。