两种 DC-DC 转换器原理产生的噪声特性比较
共输入电压的DC-DC变换器差频干扰
共输入电压的DC/DC变换器差频干扰在笔记本电脑、LCDTV、蓝光DVD以及通讯系统的主板上通常会用到多个非隔离的DCDC变换器或LDO，以得到不同的电压分别给CPU的核及I/O、专用IC及存储器等芯片供电。
为了提高系统的效率，通常几个大电流的DCDC变换器直接由输入的直流电压供电。
由于DCDC变换器的工作频率高，形成一个很强的骚扰源，会产生很高的开关噪声，从而会在电源的输入端产生差模与共模干扰信号。
对于共输入多路DC/DC变换器而言，当它们在空间上比较靠近时，更容易互相干扰，产生差频的噪声。
本文将以共输入的二路DC/DC变换器为例，来讨论差频的噪声产生原因和解决办法。
1、差频及产生原因图1是一个典型的LCDTV应用电路，+12V直流输入电压通过两路DC/DC降压变换器分别输出+3.3V和+5V的直流电源。
+3.3V和+5V分别给LCDTV的模拟电路和数字电路供电。
图1：共输入二路DC/DC电路图+3.3V和+5V的电源IC的额定的开关频率都是440kHz左右，当只有一路DC/DC 变换器工作而另外一路DC/DC变换器不工作时，它们各自的输出波形都是正常的。
+3.3V 系统工作的开关频率f1=444.8kHz，输出高频纹波频率也是444.8kHz。
+5V系统工作的开关频率是f2=435.5kHz，输出高频纹波频率也是435.5kHz。
两个工作频率和额定工作频率的偏差都在芯片的偏差允许范围内。
如果两路同时工作，会发现+3.3V输出有频率8.3kHz、幅值200mV左右的低频纹波，而+5V输出是正常的，并没有低频纹波信号，如图2所示。
CH1是+3.3V电路开关节点处的电压波形，开关频率是f1=444.8kHz；CH3是+5V电路开关节点处的电压波形，开关频率是f2=435.5kHz；CH2是+3.3V电路的输出电压低频纹波，频率大概是8.3kHz。
而这个8.3kHz的频率似乎就是这两路变换器的开关频率之差|f1-f2|。
DC-DC工作方式PFM与PWM比较
DC-DC工作方式PFM与PWM比较
DC-DC工作方式PFM与PWM比较 :
PWM控制、PFM控制和PWM/PFM切换控制模式这三种控制方式各有各的优点与缺点: DC/DC变换器是通过与内部频率同步开关进行升压或降压,通过变化开关次数进行控制,从而得到与设定电压相同的输出电压.
PFM控制时,当输出电压达到在设定电压以上时即会停止开关,在下降到设定电压
前,DC/DC变换器不会进行任何操作.但如果输出电压下降到设定电压以下,DC/DC变换器会再次开始开关,使输出电压达到设定电压.PWM控制也是与频率同步进行开关,但是它会在达到升压设定值时,尽量减少流入线圈的电流,调整升压使其与设定电压保持一致.
与PWM相比,PFM的输出电流小,但是因PFM控制的DC/DC变换器在达到设定电压以上时就会停止动作,所以消耗的电流就会变得很小.因此,消耗电流的减少可改进低负荷时的效率.PWM在低负荷时虽然效率较逊色,但是因其纹波电压小,且开关频率固定,所以噪声滤波器设计比较容易,消除噪声也较简单.
若需同时具备PFM与PWM的优点的话,可选择PWM/PFM切换控制式DC/DC变换器.此功能是在重负荷时由PWM控制,低负荷时自动切换到PFM控制,即在一款产品中同时具备PWM的优点与PFM的优点.在备有待机模式的系统中,采用PFM/PWM切换控制的产品能得到较高效率.。
LTC3260反相电荷泵DC-DC转换器的电源效率与噪声解决方案
LTC3260反相电荷泵DC/DC转换器的电源效率与噪声解决方案简介通常需要双极性电源来操作运算放大器，驱动器或传感器等电子元件，但在负载点很少有双极性电源。
LTC3260是一款反相电荷泵（无电感）DC / DC转换器，具有双低噪声LDO 稳压器，可通过单个宽输入（4.5V至32V）电源产生正负电源。
它可以在高效突发模式操作和低噪声恒定频率模式之间切换，使其对便携式和噪声敏感应用具有吸引力。
LTC3260采用扁平3mm x 4mm DFN或耐热增强型16引脚MSOP封装，采用紧凑型解决方案，外部元件极少。
图1显示了采用LTC3260的典型12V至±5V应用。
反相电荷泵LTC3260可提供高达100mA的电流电荷泵输出端的反相输入电压V OUT 。
V OUT 也可用作负LDO稳压器LDO - 的输入电源。
电荷泵频率可通过一个外部电阻在50kHz至500kHz之间调节。
MODE引脚用于在高效突发模式操作或恒定频率模式之间进行选择，以满足低噪声要求。
恒定频率模式RT引脚上的单个电阻设置电荷泵的恒定工作频率。
如果RT引脚接地，则电荷泵工作在500kHz，其中开环输出电阻（R OL ）和输出纹波得到优化，允许最大可用输出功率，峰值只有几毫伏- 峰值输出纹波。
通过降低工作频率可以提高轻负载效率，如图2所示，但是会增加输出纹波。
较低的工作频率产生较高的有效开环电阻（R OL ），但降低的开关速率也会降低输入电流，从而提高轻负载时的效率。
此外，在相对较重的负载下，增加的R OL 降低了V OUT 和LDO - 之间的有效差异- 降低了负值的功耗我愿意。
累积结果是在高输入电压和/或轻负载下更高的整体效率。
降低频率会增加输出纹波，如下面的表达式和图3所示。
降低dc-dc开关式转换器的两类主要的地噪声源减少措施
降低dc/dc开关式转换器的两类主要的地噪声源减少
措施
dc/dc开关式电源转换器的物理干扰众人皆知，除非系统和电路图都经过了精心设计。
这些转换器会对电气地注入多余的电荷，产生虚假的数字信号、翻转的双倍时钟、电磁干扰、模拟电压误差，还可能是有害的高电压。
随着这类设计复杂性的增加以及应用的密集使用，物理电路的实现已开始在系统的电气完整性中扮演一个重要的角色。
为解决这些问题，你需要了解如何减少两类主要的地噪声源。
地噪声问题一
图1是一个有恒定负载电流的理想降压转换器。
开关S1和S2作来
回转换，斩断着降压电感和降压电容上的输入电压。
电感电流或电容电压都不能突然地改变，而负载电流是恒定的。
所有开关电压与电流应分别成功地跨过降压电感，或通过降压电容，因为一个理想的降压转换器不会产生地噪声。
但有经验的设计者知道，降压转换器是一个臭名昭着的噪声源。
这意味着，图1中的电路缺少了一些关键的物理元件。
DC-DC变换器轻载时三种工作模式的原理及优缺点
DC/DC 变换器轻载时三种工作模式的原理及优缺点目前高频高效的DC/DC 变换器的应用越来越广泛。
通常在满输出负载时，DC/DC 变换器工作于CCM 即连续电流模式。
但是，当系统的输出负载从满载到轻载然后到空载变化的过程中，系统的工作模式也会发生相应的改变。
下面我们将以降压型Buck 变换器为例说明DC/DC 变换器轻载时的工作模式。
降压型Buck 变换器在轻载有三种工作模式：突发模式、跳脉冲模式和强迫连续模式。
本文我们将详细的阐述这三种模式的工作原理及优缺点。
在实际的应用中，应该根据系统对输出纹波和效率的具体要求来选取相应的工作模式。
1、跳脉冲模式对于恒定频率的常规的非同步Buck 控制器，通常电感的电流工作于CCM连续电流模式，电感的平均电流即为输出的负载电流。
当负载电流降低时，电感的平均电流也将降低；当负载电流降低时一定值，变换器进入临界电流模式。
此时，若负载电流进一步的降低，电感的电流回到0 后，开关周期还没有结束，由于二极管的反向阻断作用，电感的电流在0 值处保持一段时间，然后开关周期结束，进入下一个开在周期，此时变换器为完全的非连续电流模式。
变换器进入非连续电流模式后，若负载电流仍然进一步的降低，为了维持输出电压的调节，高端的开关管的开通时间将减小，直到达到控制器的最小导通时间。
高端的开关管的开通时间达到控制器的最小导通时间后，若负载电流仍然的降低，控制器就必须屏蔽掉即跳掉一些开关脉冲，以维持输出电压的调节。
这种控制方法即为跳脉冲模式。
同步的Buck 变换器检测下管的电流，当下管的电流接近于0 时，系统就工作在非同步的方式，也就是下管不工作，依靠下管内部寄生的反并联二极管，提供续流回路。
图1：跳脉冲模式跳脉冲模式可以在最宽的输入电流范围内提供恒定频率的不连续电流操作，防止反向电感器的电流。
由于控制器允许调节器跳掉一些不需要的脉冲，相比于连续模式操作，提高轻载的效率，但其轻载的工作效率不如突发模式操作，其轻载的输出纹波不如连续模式操作。
深入了解DCDC转换器的传导EMI特性
编号: __________深入了解DC/DC转换器的传导EMI特性（最新版）编制人：___________________审核人：___________________审批人：___________________编制单位：_________________编制时间：年月日简介髙开关频率是在电源转换技术发展过程中促进尺寸减小的主要因素。
为了符合相关法规，通常需要采用电磁干扰(EMI)滤波器，而该滤波器通常在系统总体尺寸和体积中占据很大一部分，因此了解髙频转换器的EMI特性至关重要。
在本系列文章的第2部分，您将了解差模(DM)和共模(CM)传导发射噪声分量的噪声源和传播路径，从而深入了解DC/DC 转换器的传导EMI特性。
本部分将介绍如何从总噪声测量结果中分离出DM/CM噪声，并将以升压转换器为例，重点介绍适用于汽车应用的主要CM噪声传导路径。
DM和CM传导干扰DM和CM信号代表两种形式的传导发射。
DM电流通常称为对称模式信号或横向信号，而CM电流通常称为非对称模式信号或纵向信号。
图1显示了同步降压和升压DC/DC 拓扑中的DM 和CM电流路径。
Y电容CY1和CY2分别从正负电源线连接到GND,轻松形成了完整的CM电流传播路径。
何<b)“”图1：同步降压Q)和升压(b)转换器DM和CM传导噪声路径DM传导噪声DM噪声电流（IDM）由转换器固有开关动作产生，并在正负电源线L1和L2中以相反方向流动。
DM传导发射为“电流驱动型”，与开关电流（di/dt）、磁场和低阻抗相关。
DM噪声通常在较小的回路区域流动，返回路径封闭且紧凑。
例如，在连续导通模式（CCM）下，降压转换器会产生一种梯形电流，且这种电流中谐波比较多。
这些谐波在电源线上会表现为噪声。
降压转换器的输入电容（图1中的CIN）有助于滤除这些髙阶电流谐波，但由于电容的非理想寄生特性（等效串联电感（ESL）和等效串联电阻（ESR））, 有些谐波难免会以DM 噪声形式出现在电源电流中，即使在添加实用的EMI输入滤波器级之后也于事无补。
细说DC-DC转换器的抗干扰性(1)
细说DC-DC转换器的抗干扰性（1）DC-DC 转换器这里我会分几篇文章来详细讨论DC-DC 转换器的抗干扰性这一主题，第一讲我们来简单聊聊DC-DC 转换器自从电子学诞生以来，就流传着一句老话所有问题都是DC 问题。
当然，DC 指直流，即电路中穿过导体由A 点至B 点的单向电流。
我们知道，这里所说的问题意思很简单，就是问题。
那么，为什么所有问题都是DC 问题呢?我们知道，电流和电子简单来说是完整电路系统中，各种导体和器件中的电流产生的能量。
因此，归根结底是一种能量转换。
能量是做功的能力，以两种形式存在：1)势能和2)动能。
势能是一种非活动状态的蓄能(如电池端子间的电压)。
动能是势能转变为活动状态时产生的能量(如电流穿过灯泡)。
电子学简单来说是通过控制各种导体中的电流，将势能(电压) 转变为动能(电流) 的科学! 欧姆DC 定律必须始终满足能量转换才能产生作用!因此，电路输入与输出之间的每一部分，无论是否具备AC 功能，必须出色设计电路的DC 结构，才能有效支持无论何种形式的能量转换。
换句话说，如果电路DC 设计不良，不可能实现AC 性能。
这种情况给设计师造成极大压力，需要在电源与接地之间模拟设计的基础上，掌握多学科领域高水平专业技术。
相对于各种输入信号，要想在各种电压条件下以低噪声转换直流(DC)，首先需要选择正确的DC-DC 转换器。
DC-DC 转换器有各种尺寸和类型：转换器包括线性、开关模式和磁电等不同类型。
而且，升压(步升) 和降压(步降) 功能采用类型各异的能量转换电路。
正确了解这些电路类型，可以避免使用时性能下降。
后面，我们可以分析行业领导者推出的。
DC-DCLDO工作原理及區別
DC-DCLDO工作原理及區別DC-DC & LDO工作原理及區別应当可以这样理解：DCDC的意思是直流变（到）直流（不同直流电源值的转换），只要符合这个定义都可以叫DCDC转换器，包括LDO。
但是一般的说法是把直流变（到）直流由开关方式实现的器件叫DCDC。
LDO是低压降的意思，这有一段说明：低压降（LDO）线性稳压器的成本低，噪音低，静态电流小，这些是它的突出优点。
它需要的外接元件也很少，通常只需要一两个旁路电容。
新的LDO线性稳压器可达到以下指标：输出噪声30μV，PSRR为60dB，静态电流6μA，电压降只有100mV。
LDO线性稳压器的性能之所以能够达到这个水平，主要原因在于其中的调整管是用P沟道MOSFET，而普通的线性稳压器是使用PNP晶体管。
P沟道MOSFET是电压驱动的，不需要电流，所以大大降低了器件本身消耗的电流；另一方面，采用PNP晶体管的电路中，为了防止PNP晶体管进入饱和状态而降低输出能力，输入和输出之间的电压降不可以太低；而P沟道MOSFET上的电压降大致等于输出电流与导通电阻的乘积。
由於MOSFET的导通电阻很小，因而它上面的电压降非常低。
如果输入电压和输出电压很接近，最好是选用LDO稳压器，可达到很高的效率。
所以，在把锂离子电池电压转换为3V输出电压的应用中大多选用LDO稳压器。
虽说电池的能量最後有百分之十是没有使用，LDO稳压器仍然能够保证电池的工作时间较长，同时噪音较低。
如果输入电压和输出电压不是很接近，就要考虑用开关型的DCDC了，应为从上面的原理可以知道，LDO的输入电流基本上是等于输出电流的，如果压降太大，耗在LDO上能量太大，效率不高。
DC-DC转换器包括升压、降压、升/降压和反相等电路。
DC-DC 转换器的优点是效率高、可以输出大电流、静态电流小。
随著集成度的提高，许多新型DC-DC转换器仅需要几只外接电感器和滤波电容器。
但是，这类电源控制器的输出脉动和开关噪音较大、成本相对较高。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
两种 DC-DC 转换器原理产生的噪声特性比较
Robert Marchetti，高级产品经理
Vicor 公司，美国 Andover，MA
目前，大部份的 DC-DC 转换器己普遍以高频率的开关技术为基础。
而在开关转换器中，有效的高频率开关一直被视为模块功率密度大小，性能表现优劣的关键。
开关频率高，所用的磁性元件和电容愈小，反应时间更快，噪声更低，滤波要求较小。
尽管 DC-DC 转换器所产生的噪声是比之前改善了，但是所有 DC-DC 转换器还是会产生 EMI 或者其它噪声的。
而所产生的噪声水平，不论是共模的，差模的或者是辐射噪声，会因为不同的生产厂，或者是采用不同的转换方法而产生很大的差异。
虽然市面上有上百种的 DC-DC 转换器，各有不同的设计和拓扑结构，大体可以归为两大类: 固定频率的脉宽调制式 (PWM) 和变频的准谐振零电流开关(ZCS) 两种。
设计师在选择 DC-DC 转换器时必须先了解两种原理的噪声表现。
脉宽调制式 (PWM) 模块由于不能够解决开关损耗问题，故此，它需要在工作效率和开关效率间作取舍。
开关元件在瞬时导通和关断时，使电感电流产生不连续性的状态，因而产生热量和噪声。
由于功耗来自开关损耗，它会随着脉宽调制式模块的开关频率增高而增大，直至它变为一个显著的耗损成因，达到了那一点，效率会迅速减低，开关元件所承受的热及电气应力变得无法处理。
这种开关损耗的属性，变为开关频率障碍，限制了转换器提升功率密度的能力。
除了所产生的噪声有差别，另一个脉宽调制式与零电流/零电压开关技术的分别是准谐振转换器的波形是一正弦波，而不是脉宽调制式的方波。
由于电流的波形没有近乎垂直上升和下降的尖削部份，减少电抗组件的应力，减低寄生噪声。
相反，PWM的输入电压开关频率是固定的(一般是数百kHz)，做成一连串的脉冲，利用调节脉冲的宽度来为负载提供正确的输出电压及足够的电流。
满载时，电流的波形是一个方波(图1)。
!
图1 - 零电流开关和脉宽调制式架构的电流波形!
很多电源工程师都以为，滤掉固定频率转换器所产生的噪声比滤掉变频率转换器的来得容易，这恰好是错的。
事实刚好相反1。
这只是“固定频率”这名词带来的错觉。
基本上是个“误称”，因为两个架构都同时拥有固定频率的元素，也同时有因应操作点需要而改变的不固定元素。
图1 比较电流流到主开关的波型图。
准谐振转换器的频宽或导通时间 T1 是固定的，而开关频率 T2是可变的。
相反，PWM 转换器的开关周期是固定的，而频宽是可变的。
这两个架构的上升和下降时间 (T3)，同样地都是固定的。
!
准谐振的零电流开关 (ZCS/ZVS) 转换器采用正向开关拓朴，只在电流经过零的时候才开关，克服了开关频率障碍。
每个开关周期传送等量的“能量包”到模块的输出端。
每个“开”与“关”都在零电流及零电压的瞬间进行，形成一种近于没有功耗的开关。
零电流开关转换器的工作频率可超出 1 MHz。
它避免了传统拓朴结构那不连续性电流的特性；零电流及零电压开关架构，实现“无功耗”的把能量由输入传输至输出，大大减低传导和辐射噪声。
变频的设计，由于它是一个半正弦波，因此，不会产生高噪声水平，在波型图显示，变频转换器波型频谱幅度较低，带宽也较窄。
!
图2 显示这两个拓扑产生的噪声图谱。
在 PWM 转换器，大部分能源是在固定频率和奇数倍数（谐波）的。
一个 100 kHz 的 PWM 变换器，它的传导噪声主要在 100 kHz ，有一些在 300 和500 kHz ，因为它是方波, 在10 – 30 MHz ，有明显的谐波，高的di/dt 激发了转换器内的寄生元件。
需要较大的输入滤波器来滤掉满载时的 100 kHz 噪声。
在固定频率的波形，频谱噪声水平较高，谐波分布范围较广。
级控制元件和次级控制元件间，透过铜板产生寄生电容，因而形成更高幅度的共模噪声。
图3 便是一个好例子，它显示一个变频准谐振零电流开关 DC-DC 转换器加上旁路电容器的波型。
!
显然，对于一个要求低噪声的应用，如要尽量减少DC-DC 转换器的噪声。
第一个步骤应是选择一个合适的，固有共模噪声较低的拓扑，如零电流开关。
此外，在噪声敏感应用，应避免使用具以下特性的转换器。
如把控制器件安装在铜板，这样会使把初
虽然，功率模块通常会带内部输入和输出滤波器; 但如要满足系统要求，或需要符合认可的规格如FCC ，以及欧盟有关电源系统传导到电网的噪声标准，便需要外加滤波器。
许多电源工程师会自己动手设计方案，大部份的 DC-DC 转换器制造商会提供详细的应用笔记，并派出知识和经验均十分丰富的应用工程师协助解决这些问题。
此外，还有一些DC–DC 转换器的供货商，提供交流前端和 EMI 滤波器模块。
使用这些过滤器不仅节省时间，而且质量，性能比较有保证。
!
图3 - 传导噪声与负载电流 DC-DC 转换器（48 V 输入，5V 输出，30 A 负载），没有滤波器
图2 – PWM (上图）和零电流开关（下图）的电流波形和频谱。
注：波形并不按比例绘制。
这些 EMI 滤波器是专为配合供货商的转换器模块而设计的，只要布线妥当，把转换器模块和滤波器配套使用，保证能满足特定的EMC 规格。
!
在美国和欧洲，传导噪声是按 FCC 和 VDE 标准A 级和B 级限制严格规管的。
在美国，工业设备的传导噪声应满足 FCC 标准 A 级要求，家用电器的传导噪声应满足更严格的 FCC B 级要求。
在欧洲，所有国家均要求工业设备和家用电器的传导噪声辐射应满足 VDE B 级标准。
开关电源的开关频率一般在 100 kHz 至 1 MHz 之间。
反射到电网之传导噪声频谱上的主要尖峰来自开关频率之基频及其谐波分量。
按 EN55011 及
EN55022 的要求，反射到电网之传导噪声在 150 kHz 至 300 MHz 幅度间需附合规定之上限。
要符合这些要求，所有传导噪声，即频谱上的尖峰部份，必须低于规定的限度。
!
!图4 – 符合EN55022，B级标准的EMI输入滤波器!
这些 EMI 滤波器通常是造成一个器件，(配置与图4 相似) 。
它是一个带穿孔引脚的器件，内配共模扼流圈和 Y-电容器(线到地)，另加两个电感器和一个
X-电容器（线到线）。
由 Z1 提供瞬变保护，这样子的滤波器有足够的衰减能力，可以符合级别 B 的传导噪声限制。
!
图5 比较了零电流开关 (ZCS) 及脉宽调制 (PWM)转换器的传导噪声。
请注意，零电流开关转换器的噪声，即使在未加滤波器的情形下(图3) 都优于带滤波器的 PWM 转换器。
!
!
图 5 – 带共模扼流圈的零电流开关转换器(图上) 和带滤波器的脉宽调制转换器(图下) 的频谱。
转换器规格: 48 V 输入，5 V 输出，30A。
!
1. L. Hsiu, M. Goldman, R. Carlsten, A. Witulski, and W. Kerwin, “Characterization and Comparison of Noise Generation for Quasi-Resonant and
Pulsewidth-Modulated Converters”, IEEE Transactions
on Power Electronics, Vol. 9, No. 4, July 1994
----------------。