开关稳压器噪声分析简介

一般而言，与低压差(LDO)稳压器输出相比，人们认为传统开关稳压器的输出电压噪声很大。然而，LDO电压会引起严重的额外热问题，并使得电源设计更加复杂。全面认识开关稳压器噪声很有必要，有助于设计低噪声开关解决方案，使之产生与LDO稳压器相当的低噪声性能。本文分析和评估的目标是采用电流模式控制的降压稳压器，因为它在应用中最常用。信号分析是了解开关纹波噪声、当前宽带噪声特性（及其来源）、开关引起的高频尖峰噪声的主要方法。本文将讨论开关稳压器PSRR（电源抑制比，其对输入噪声抑制很重要）以及信号分析方法。

开关纹波噪声

本部分依据基波和谐波理论介绍降压转换器输出纹波计算公式。
根据开关稳压器拓扑结构和基本操作，纹波始终是开关稳压器中的主要噪声，因为峰峰值电压幅度一般为几mV到几十mV。它应被视为周期性且可预测的信号。如果以固定开关频率工作，则在时域中通过示波器，或在频域中通过傅立叶分解，很容易将其识别并进行测量。

图1.降压稳压器拓扑

图1所示为典型的降压稳压器。两个开关交替接通和断开，因此SW节点电压VSW是一个理想的方波，此特性进而传递到占空比和输入电压。VSW可以用下面的公式表示：

其中：

VIN为输入电压。D为占空比；对于降压稳压器，其等于VOUT/VIN。
VIN确定后，VSW基波和谐波成分仅取决于占空比。图2显示了与占空比相关的VSW基波和谐波幅度。当占空比接近一半时，纹波幅度以基波为主。降压稳压器输出LC级传递函数如下：

其中，L为输出电感值，DCR为电感电阻值，CL为电感并联电容值。
COUT为输出容量值。ESL为电容串联电感值。ESR为电容串联电阻值。
因此。

为了简化计算，我们假设输出LC级为20 dB/十倍频程，然后是与占空比相关的VOUT纹波基波和谐波幅度，如图3所示。当占空比接近一半时，三次或奇数次谐波将高于偶数次谐波。由于LC抑制，较高的谐波将具有较低的幅度，并且与总纹波幅度相比，其比例非常小。同样，基波幅度是开关稳压器输出纹波中的主要成分。对于降压稳压器，基波幅度与输入电压、占空比、开关频率和LC级有关；但是，所有这些参数都会影响应用要求，如效率和解决方案尺寸等。为了进一步降低纹波，建议增加后置滤波器。

宽带噪声

开关稳压器中的宽带噪声是输出电压上的随机幅度噪声。它可以用整个频率范围内的噪声密度来表示，单位为V/
，或用V rms来表示，其与频率范围内的密度不可分。由于硅工艺和基准电压源滤波器设计的限制，宽带噪声主要位于开关稳压器的10 Hz至1 MHz频率范围内，在低频范围内很难通过增加滤波器来将其降低。
典型降压稳压器宽带噪声峰峰值幅度电压约为100μV至1000μV，远低于开关纹波噪声。如果使用额外的滤波器来降低开关纹波噪声，则宽带噪声可能成为开关稳压器输出电压的主要噪声。图4显示了当没有额外滤波器时，降压稳压器输出噪声的主要来源是开关纹波。为了识别和分析开关稳压器输出宽带噪声，必须获得稳压器控制方案和模块噪声信息。