如何测量和降低DC/DC电压调节器的输出电压纹波
翻译：TOFFEE JIA
Technical Editor, MPS
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介绍
如今，在很多诸如电信和网络设备这样的服务器中，均会使用多个电压调节器给芯片或子电路供电。由于这些电源轨之间的电压容差常常很小（＜1%），因此功率完整性的测量，如在全带宽内测量纹波电压，成为满足系统设计要求的关键。
本文将结合MPS产品MPQ8633B的具体数据，为你介绍如何测量并减少COT（恒定导通时间）模式调节器的电压纹波。
纹波和噪声源
全带宽输出纹波通常包含低频（LF）纹波和高频（HF）噪声两种。图一显示的降压（Buck）变换器中的低频（LF）纹波为输出电压的交流分量。
图 1：输出电压纹波及噪声
然而，在实际电路中还会存在另一个交流分量，称之为高频（HF）噪声，它会在开关导通和关断时产生。图2显示了降压（Buck）变换器输出功率级的实际电路。考虑到高频（HF）工作条件，实际电感的功能类似于电容阻抗，而实际电容则相当于电感阻抗。因此，简化后的输出功率级电路请见图3。高频（HF）噪声主要由电感寄生电容（CL）和等效串联电感（ESL）引起的开关耦合的高dV / dt引起。
图 2：降压（Buck）变换器的实际输出功率级电路
图 3：高频域中降压（Buck）变换器简化输出功率级电路
输出电压的测量设置
想要获取精确的实验数据，是否采用了正确的测量设置非常重要。传统方法是采用1MΩ无源电压探极来测量。此种设置无法获取真实的电压纹波和噪声，因为大回路吸收了很多周边噪声，同时还会产生寄生电感。图5显示了基于50Ω同轴电缆的回路，它比无源电压探极回路要小得多。而且同轴电缆具有优良的屏蔽效果、环路小、无信号衰减等优势。
图 4：使用无源电压探极来测量纹波
图5：使用50Ω同轴电缆来测量纹波
图 6 显示了同一工作模式下，输出纹波的对比图。从图中可以看出，同轴电缆可以有效降低高频（HF）噪声。后面章节的所有实验数据均基于50Ω同轴电缆测量结果。
a）基于10个1MΩ无源电压探极的输出纹波图
b）基于一个50Ω同轴电缆的输出纹波图
图 6：全带宽下的输出纹波对比图
降低输出纹波
如前所述，高频噪声与电感、输出电容以及开关节点的电压均有关，因此可以采取以下三种方法来降低（HF）噪声：
- 降低开关节点的电压尖峰；
- 降低高频工作的电感阻抗；
- 降低高频工作的输出电容阻抗。
对于第一种方法，最有效的方案是降低开关导通和关断的变化斜率，通过添加一个串联自举电阻或一个 RC 缓冲电路来实现。
一旦开关尖峰降低，噪声耦合环路就会得到优化。首先，根据供应商的规格书选择一款低寄生电容电感。然后，最大限度地减少噪声振铃频率周围的输出电容阻抗。正常情况下，降压（Buck）变换器的噪声振铃频率为几百MHz左右。
以往通常会采用X5R/X7R陶瓷电容来降低全带宽的纹波，因为相比于电解电容和钽质电容，它们的ESR和ESL会更低。一般来说，高频时陶瓷电容越小，其阻抗也越小。但小陶瓷电容的容值比较有限。因此，采用传统的X5R/X7R陶瓷电容并不是最好的办法。
图 7 显示了专为降低高频噪声而选的NP0陶瓷电容，此种电容具有低阻抗的特性。其阻抗特性也与电容容值相关（见图8） 。根据高频噪声振铃频率，几百pF的NP0电容即可满足此种场合。
图 7：1000pF X7R 电容与NP0电容（0603）阻抗对比图
图 8：不同容值NP0电容的阻抗变化图（0603）
在以下应用原理图中，NP0电容靠近IC放置，纹波测试点位于输出电容端部（见图9）。按照这种方式，大部分高频噪声可以通过NP0电容过滤掉，而大部分低频噪声则通过大容值的X5R/X7R电容过滤。
图 9：集成NP0/LICC电容的恒定导通控制模式（COT）调节器应用原理图
图 10 显示了普通陶瓷电容与NP0电容的输出纹波对比图，用以证明NP0电容的有效性。从图中可以看出，NP0电容能够显著降低高频噪音。
a）采用1个 180pF 0603 X7R 电容加上3个 100µF 1206 X7R 电容的输出纹波图
b）采用1个 180pF 0603 NP0 电容加上3个 100µF 1206 X7R 电容的输出纹波图
图 10：全带宽下不同输出电容配置的输出电压纹波对比图
结论
本文分析了DC/DC电压调节器输出纹波源，对比了不同的测量设置，并探讨了如何降低输出纹波。可以了解到，COT调节器能够有效优化高频范围内的SW电压尖峰、电感阻抗以及输出电容阻抗，从而降低输出纹波和高频噪声。50Ω同轴电缆是输出纹波电压测量工具的理想之选。而MPS的产品 MPQ8633B 作为一款优秀的COT调节器，非常适合解决这些问题。
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