如何滤除DC / DC设计中的噪声

geren2014

在建立电源噪声基线后，让我们关注DC / DC转换器的后滤波策略，同时驱动模数转换器（ADC）。为了与之前的帖子保持连续性，我将再次使用ADC3444，这是一款四通道，14位，125MSPS流水线ADC，具有低压差分信号（LVDS）输出。

在我的“ 使用DC / DC转换器为ADC供电 ”一文中，我建立了一个使用电池供电的基线，然后使用ti的TPS7A47建立了两个单通道低压差稳压器（LDO）。这里的想法是隔离ADC3444的数字VDD（DVDD）电源来自模拟VDD（AVDD）电源。但是，在使用更小尺寸，更高效率的解决方案的同时，也可以实现与TPS7A47参考相同的性能水平。

在ADC3444通过供电TPS54120 DC / DC转换器，并产生在需要被拒绝AVDD或DVDD销二者的不期望的信号。图1和图2示出了来自电源的不需要的信号。这些信号（图1）起源于DC / DC的开关频率，并由ADC时钟相位噪声调制。


图1：电源中产生的不需要的DVDD信号

图2：电源（a）在DC和（b）在单音周围产生的不需要的AVDD信号

第一种方法是在数字域中对信号进行滤波。为了成功实现这种方法，不良信号必须是确定性的。对于DVDD，不希望的信号是相位噪声随开关频率的调制; 因此需要消除宽频带。对于AVDD，单音周围的不良信号（见图2）很难去除。因此，对这种不希望的信号进行数字滤波似乎不是最好的方法。因此，必须从其源头移除不需要的信号。

减少源自DC / DC转换器的噪声的两个选项是π滤波器和有源器件，如LDO或电源滤波器。

π滤波器由两个由电感或铁氧体磁珠隔开的电容器组成。在这里，选择Murata铁氧体磁珠。BLM41PG102在100MHz时具有1kΩ阻抗。图3显示了阻抗特性。


图3：Murata BLM41PG铁氧体磁珠阻抗与频率的关系曲线

观察AVDD电源，ADC3444具有13个AVDD电源引脚，每个引脚均由0.1μF电容旁路。从Kemet库导入0.1μF模型并绘制π滤波器频率响应，您有以下曲线，请参见图4。


图4：各种电容器温度的滤波器频率响应

该滤波器基本上表现为二阶响应，其中-3dB点为。将理想电容滤波器下方的区域积分并将其除以f -3dB，可以得出-3dB带宽与用于噪声功率计算的等效砖墙滤波器带宽之间的关系（图5）。

该图仅提供滤波器噪声功率带宽（NPBW）的变化，并指示大多数NPBW的贡献低于1MHz。

在这里，      为理想的电容器。


图5：噪声功率带宽除以-3dB带宽与频率的关系

现在我已经确定了在到达ADC之前不良信号将看到的衰减和有效NPBW，以帮助限制电源的热噪声，让我们回到ADC3444电源抑制比（PSRR）在AVDD上。由BLM41PG102和13个0.1μF电容组成的π滤波器在500kHz时将ADC的PSRR提高了36dB，并将乐观地衰减热噪声。（该比率是乐观的，因为热噪声的最大部分是由噪声引起的。）均方根（RMS）热噪声通常在10Hz到100kHz带宽上测量，并且π-滤波器的NPBW是64kHz。

铁氧体磁珠应足以消除不需要的信号，但很少使用3A DC / DC转换器或甚至1.2A DC / DC转换器来操作100mA负载。如果DC / DC转换器由多个负载共享，则负载之间的串扰将成为要解决的主要问题。

现在让我们把注意力转向有源设备。

LDO将输出电压调节到给定的精度，通常为1％到3％。它们在DC处具有高PSRR并且随着频率增加而降低。图6显示了采用可调配置实现的TPS7A811A低噪声LDO，其输出电压由R 1和R 2设置。前馈电容（C BYPASS）用于限制噪声并改善输出电压瞬变。降噪电容（C NR）降低了片内基准电压源产生的噪声。存在输入和输出电容器。


图6：LDO架构

相反，电源滤波器调节输入和输出之间的电压差。该架构在DC处没有PSRR，并且PSRR随频率而增加。图7显示了TPS7A35 1A低噪声电源滤波器。由于输入和输出之间的电压降是可调的，因此通过单个电阻（R NR）设置电压降。还存在降噪（C NR）和输入和输出电容。该解决方案因其小尺寸PCB而具有吸引力。


图7：电源滤波器架构

表1列出了每种解决方案的优缺点。

类别	铁氧体磁珠	我愿意	电源滤波器
PCB面积	需要较大的PCB面积以最小化内部串联电阻	取决于选择的LDO	最小的PCB占地面积
负载瞬态	不提供任何规定。负载瞬态将变为线路瞬态并降低负载电源电压。负载瞬态越快，产生的线路瞬态越大。	出色的负载调节	出色的负载调节
噪声	无源滤波器不会给系统增加噪声，但也没有任何直流抑制	出色的热噪声特性	出色的热噪声特性
PSRR	良好的抑制性取决于铁氧体磁珠的物理特性和负载电源旁路电容	最佳直流抑制，与负载电源旁路电容无关。查看稳定性问题所需的最小输出电容。	无直流抑制，最佳交流抑制
能量消耗	没有	与压差电压相关联	设置辍学
总体	最适合大电流（> 5A），因为其他解决方案很少。缺乏负载调节可能是一个问题。可以补充LDO或电源滤波器。	低频时的最佳抑制，大型元件选择	最佳AC抑制，最小的整体解决方案

表1：过滤后实施比较
对于上述任何解决方案，PSRR为DC / DC纹波提供的衰减将表现为公式1：



和热噪声如公式2所示：



在这篇文章中，我研究了DC / DC转换器的各种后滤波策略，并开发了一种分析方法来比较一种解决方案与另一种解决方案。在本系列的最后一部分中，我将把它们放在一起，实现低噪声，高PSRR电源并评估ADC性能。