與傳統(tǒng)低壓差(LDO)穩(wěn)壓器相比，開關(guān)電源(SMPS)的高效優(yōu)勢顯而易見。但也因其開關(guān)特性，開關(guān)電源在開關(guān)頻率和諧波處會(huì)產(chǎn)生噪聲。本文闡述了如何利用濾波器實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源超低輸出電壓噪聲。應(yīng)用低ESR陶瓷電容的單級電容濾波器廣泛用于輸出電壓紋波大于1-2mV的應(yīng)用。對于像RF ADC和DAC這樣的應(yīng)用，其紋波要求小于1mV，則需使用兩級 LC 濾波器來有效過濾開關(guān)噪聲。

單級濾波器設(shè)計(jì)

同步降壓變換器由輸入電容器CIN、兩個(gè)開關(guān)（S1和S2）及其體二極管、儲(chǔ)能電感（L）和輸出電容器（COUT）組成。當(dāng)S1接通，S2斷開時(shí)，輸入源向功率電感（L）和負(fù)載提供電流，此時(shí)，電感電流上升。當(dāng)S2接通而S1斷開時(shí)，電感器中存儲(chǔ)的能量被轉(zhuǎn)至輸出電容器和負(fù)載，導(dǎo)致電感器電流下降。降壓調(diào)節(jié)器的開關(guān)行為導(dǎo)致輸出電壓波動(dòng)。此時(shí)，應(yīng)在輸出端放置一個(gè)輸出電容器（Cout），以便在穩(wěn)態(tài)時(shí)平滑輸出電壓。輸出電容器通過為高頻電壓分量提供低阻抗路徑，將高頻紋波反射回接地，從而降低輸出電壓紋波。

接著，假設(shè)Buck降壓變換器采用連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM），以最大限度地降低輸出電壓紋波。L電感值也滿足電感器的電流紋波要求，其最小值可通過以下公式計(jì)算得出：

其中，VIN 和 VOUT 分別代表輸入和輸出電壓， 代表占空比，IL,p--p 代表電感的峰-峰電流紋波，fSW代表變換器的開關(guān)頻率。通常，峰-峰電感電流紋波可設(shè)置為輸出DC電流的20-40%。

輸出電容值應(yīng)能確保其輸出紋波低于應(yīng)用需要的峰-峰紋波值。對于單級電容濾波器，其最小輸出電壓紋波可達(dá)1～2 mV。

在穩(wěn)態(tài)下的一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，向電容器輸送的凈電荷為零。圖1陰影區(qū)的電容電荷可通過以下公式計(jì)算得出：

其中T為開關(guān)切換周期。根據(jù)定義，給定周期內(nèi)的電容電荷也可表示為：

公式（2）代入公式（3），得到輸出峰-峰電壓紋波（VOUT,p--p）所需的最小電容為：

理想情況下，并聯(lián)更多的輸出電容可以降低對地的高頻阻抗，從而減小輸出紋波。而實(shí)際上，輸出電容器是橫放在印刷電路板上的，如果在印刷電路板上增加更多的輸出電容，會(huì)給并聯(lián)電路增加額外的寄生電感和交流電阻，增加輸出電容的效果會(huì)逐漸降低。

如圖2所示的典型PCB布局，MPS電源模塊通過集成電感，可大大簡化電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。在MPM3833C的PCB布局中，為輸出功率路徑進(jìn)行了大面積鋪銅，這能最大限度地降低功率損耗。輸出電容器也是沿著輸出電流路徑放置的。如圖所示，隨著放置在輸出平面上的電容器越來越多，附加電容器與電源模塊輸出引腳之間的距離也變得越來越大。因此，在離電源模塊較遠(yuǎn)的輸出電容中，會(huì)產(chǎn)生更多的寄生電感。增加輸出電容的效果變得越來越差，最終遠(yuǎn)端電容的高頻對地回路以寄生電感為主。

為演示回路寄生電感的影響，這里使用Simplis設(shè)計(jì)出了具有不同輸出電容的MPM3833C，并假設(shè)每個(gè)增加的輸出電容向回路引入0.5nH的寄生電感。圖3展示了帶有一個(gè)22μF電容器的電源模塊輸出紋波。可以看出，輸出電容器的確有效地降低了輸出紋波：在5V輸入，1.2V 輸出和2A 負(fù)載時(shí)，輸出紋波降至約為3mV。

為了進(jìn)一步降低輸出電壓紋波，可以在輸出端再增加一個(gè)22μF的輸出電容。由于新增的電容器必須放置在離電源模塊更遠(yuǎn)的地方，因此新增電容器所引入的寄生電感為1nH。圖4a給出了仿真輸出電壓波形圖，其中輸出電壓紋波已降到2mV。與圖3所示的波形圖相比，增加一個(gè)22μF輸出電容器可將輸出電壓紋波有效降至3mV，而再增加一個(gè) 22μF電容器的效果其實(shí)并不明顯。圖4b顯示了多一個(gè)22μF電容器后（總共4x22μF）的輸出電壓紋波。最后一個(gè)22μF 電容器在其高頻對地回路中引入的寄生電感為1.5nH。如圖所示，與使用3x22μF的情況相比，多增加一個(gè)電容器后輸出紋波降低度小于5%。

從圖3和圖4的演示可知，PCB上添加的電容器越多，PCB鋪銅/走線所產(chǎn)生的寄生電感就越多。最終，增加更多電容器的作用被回路中不斷增加的附加寄生電感所抵消。

第二級濾波器設(shè)計(jì)

通常，并聯(lián)輸出電容器能將輸出電壓紋波有效降低到最低1-2mV。要實(shí)現(xiàn)低于1mV的紋波，需要一個(gè)第二級輸出濾波器。圖5展示了第二寄濾波器的典型電路。第二級濾波器由一個(gè)濾波電感及其串聯(lián)電阻（DCR）、一個(gè)對地電容器支路和一個(gè)阻尼支路組成。濾波電感（Lf）在設(shè)計(jì)的高頻范圍內(nèi)具有電阻，以熱量的形式耗散噪聲能量。該電感器與附加的并聯(lián)電容器結(jié)合形成低通LC濾波器網(wǎng)絡(luò)。

合理設(shè)計(jì)的第二級濾波器會(huì)有效降低輸出電壓噪聲。針對工作頻率來選擇LC濾波器組件至關(guān)重要。設(shè)計(jì)的第一步是根據(jù)公式（4）選擇第一級輸出電容器。在第一極的設(shè)計(jì)中，典型的輸出電壓紋波一般為5mV至10mV。所以，通常選用10-22μF電容器就足夠了。為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，第一級的電容容量（COUT）必須小于第二級的旁路電容（C1）。

一旦確定了第一級電容器并給出了規(guī)定的輸出電壓紋波（在給定頻率下），第二級LC濾波器所需的衰減可確定為：

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