POL调节器中的输入纹波和噪声的来源是什么?

POL调节器上的输入滤波器可发挥两项重要的作用，一个作用是防止开关电源产生的电磁干扰到达电力线和影响其它设备，第二个作用是保护转换器及其负载以避免输入电压中出现的瞬变，从而提高系统可靠性。因此，输入电容器对于调节器的正确运作及最大限度地减少来自开关调节器的噪声排放至关重要。

 

爱立信POL调节器通过使用如图1所示的非隔离型同步降压拓扑来实现。在降压功率级的正常运作期间，QH和QL交替开关，开关次数由具有固定频率PWM方案的控制电路来管理。由于输出端的电感器/电容器组合作用，用于降压功率级的输出电流变得平滑。但是，由于在每个开关周期中功率开关QH电流从零至全负载进行脉动，使得用于降压功率级的输入电流是脉动或形成斩波。对于调节器的正确运作及最大限度地减少来自开关调节器的噪声排放，输入电容器显然是至关重要的。
 

 

 

 

 

 

图1 降压转换器的简化原理图和输入波形

 

许多应用使用了相当传统的中间总线架构(IBA)，如图2所示。在IBA中，电路板级中间总线转换器(IBC)为多个POL调节器馈送电力，这些调节器的位置接近负载电路，并且提供最终运作电压。所有这些开关转换器在公用DC输入总线产生纹波和噪声，应当加以抑制。如果未有滤波，调节器的输入纹波和噪声可以达到足够高的水平，干扰使用同一电源供电的其它设备。除了POL转换器产生的输入纹波和噪声之外，IBC也具有自己的输出电压纹波和噪声。

 

 

 

图 2 在IBA中电路板级IBC为多个POL调节器馈送电力

 

因此，POL调节器上的输入滤波器可发挥两项重要的作用，一个作用是防止开关电源产生的电磁干扰到达电力线和影响其它设备，第二个作用是保护转换器及其负载以避免输入电压中出现的瞬变，从而提高系统可靠性。

 

因此，POL调节器中的输入纹波和噪声的来源是什么?如何更好地设计输入滤波器来缓减其发生?

 

稳定性

 

在输入端增添一个具有衰减特性足够良好能够满足噪声和纹波规范要求的滤波器，如果输入滤波器仅由电容器(C)构成，稳定性不是问题。如果输入滤波器还包括电感器(LC)，则必需检查稳定性：因为输入滤波器改变了调节器的动态参数。输出阻抗在某些频率范围可能变大，可能表现出共振，使得音频的敏感性可能会降低。问题在于LC输入滤波器可能影响转换器的动态参数，通常会减低调节器的性能。

 

输入滤波器设计中一个重要但常常被忽视的方面，就是要满足Middlebrook规范。根据这项规范，如果输入滤波器的输出阻抗曲线远远低于输入阻抗曲线，那么输入滤波器便不会显著改动转换器环路增益，如公式1所示：

 

 

 

 

换句话说，为了避免振荡，关键在于确保滤波器的峰值输出阻抗Zo,Filter保持低于其输入阻抗 Zi,POL。如图3所示，POL调节器经设计为负载提供恒定电压，(几乎)与负载电流无关。因此，调节器在控制器带宽范围内的最小输入阻抗Zi,POL,min如公式2计算所得：

 

 

 

 

此处：Vi是输入电压，Vo是输出电压，Io是稳态输出负载电流，而η是调节器的效率。

 

 

 

图 3 输入滤波器的输出阻抗和调节器的输入阻抗示例

 

输入纹波和噪声源

 

对于POL调节器，输入纹波和噪声具有三个分量，首个出现在通常称作纹波的基础开关频率上。

 

第二个分量是输入总线上的AC电压偏移，这是由于POL模块输出上的负载瞬态变化造成的，这通常是一种持续时间为数百微秒等级的、具有数十kHZ等效频率的低频现象。