【導讀】與低壓差(LDO)穩壓器相比，開關電源具有更高的效率和更強的功率處理能力。但與此同時，功率場效應晶體管(FET)的快速開關瞬態過程會產生向周圍輻射的電磁噪聲。在測量輸出電壓紋波時，這類輻射噪聲可被檢測到，并表現為高頻噪聲。倘若測試設置不當，可能會影響開關電源的真實性能表現。本文分析了電壓測量中出現高頻噪聲的根本原因，并闡述客戶是否需要為這類噪聲擔憂。文章通過Ansys Maxwell仿真模擬電源周圍的輻射磁通分布，直觀呈現輻射效應。此外，本文提出了一種可測量電路中實際輸出電壓紋波并識別高頻噪聲引發的潛在問題的方法。
引言
在眾多應用中，開關電源憑借高效率、高功率等優異特性，成為事實上的唯一選擇。降壓型功率轉換器是目前應用最廣泛的拓撲結構，通過脈沖寬度調制(PWM)控制開關特性，實現功率傳輸調節。但與此同時，功率FET在納秒至數十納秒級的快速開關瞬態過程中會引入高頻噪聲。例如，在對噪聲敏感的應用中，如果電源產生的高頻電壓尖峰與時鐘信號疊加，將會導致ADC、ASIC、FPGA等負載器件工作異常甚至失效。因此，明確高頻噪聲的根本成因、識別噪聲問題，并找到抑制或消除其影響的可行方案至關重要。而正確的噪聲/紋波測量方法尤為關鍵。
降壓轉換器的典型輸出電壓紋波
在典型降壓轉換器中，電感與電容構成濾波網絡，為開關動作產生的交流信號提供傳導通路徑。電感電流包含交流分量和直流分量。大部分交流分量將流入輸出電容，而直流分量只流向負載。若不考慮元件寄生參數（如圖1a所示），輸出電容兩端的輸出電壓紋波為平滑波形（如圖1b所示）。
圖1.簡化降壓轉換器：(a)無寄生參數的電路；(b)開關波形
若考慮輸出電容的寄生電阻與寄生電感（如圖2a所示），輸出電壓紋波會發生顯著變化（如圖2b所示）。
圖2.包含寄生參數的輸出電容：(a)簡化電路；(b)輸出電壓波形
圖2b中波形的交流分量主要分布在開關頻率附近，范圍為數百kHz至數MHz。但在實際測試中，輸出電壓通常會出現更高頻率的分量，頻率約為數百MHz。功率電感的寄生電容可為這些數百MHz的信號提供從開關節點到輸出端的導通路徑，如圖3所示。
圖3.考慮電感寄生電容時的輸出電壓紋波：(a)開關節點至輸出端的導通路徑；(b)開關波形
圖4a給出了基于LTM4628 μModule?降壓穩壓器的輸出電壓測量示例,可以清楚觀察到開關頻率波形與高頻尖峰。而當探頭相對于電路板從垂直方向改為水平方向時，測得的輸出電壓紋波從54mV降至42mV，如圖4b所示。圖5展示了輸出電壓的測量方式。若僅考慮導通路徑上產生的輸出電壓紋波，測量結果不應隨探頭位置改變。同時，探頭拾取的高頻噪聲與開關動作同步。因此，探頭額外拾取的高頻噪聲很可能是快速開關瞬態過程中，熱環路內高di/dt所感應的輻射噪聲。
圖4.采用通用無源探頭測量LTM4628的輸出電壓紋波：(a)探頭垂直于演示板；(b)探頭水平于演示板
圖5.輸出電壓紋波測量設置：(a)探頭垂直于演示板；(b)探頭水平于演示板
為進一步驗證探頭位置所帶來的差異，分別采用通用探頭、BNC線纜及有源差分探頭來測量輸出電壓紋波，如圖6所示。如圖所示，通用探頭需要額外彈簧作為接地回路，因而測量環路更大。
表1給出了不同探頭的測量結果。與垂直放置測量相比，探頭水平放置時測得的高頻尖峰均更低。此外，使用通用探頭時的水平放置測量結果，要高于使用BNC線纜與差分探頭時的測量結果。
圖6.不同的探頭：(a)通用探頭；(b)BNC線纜；(c)差分探頭
表1.采用垂直與水平測量方式時，不同探頭測得的輸出電壓紋波
為理解輸出電壓紋波測量中出現的異常現象，基于簡化后的LTM4628物理結構搭建了如圖7a所示的Maxwell仿真模型。熱環路1由模塊內部的MOSFET與內部輸入電容構成；熱環路2由MOSFET與演示板上模塊附近的外部輸入電容構成。向熱環路1和熱環路2均注入300MHz的等效電流，以模擬開關瞬態過程中熱環路內的高di/dt效應。圖7b展示了模塊周圍的磁場（H場）分布。在演示板上方、模塊周圍區域的H場強度顯著更高，表明熱環路產生的磁通極易被探頭測量環路拾取。
圖7.Maxwell有限元分析(FEA)仿真：(a)仿真模型；(b)H場分布
圖8給出了放大后的H場分布，以便更詳細地說明不同探頭位置導致測量結果差異的根本原因。在圖8中，等效垂直測量環面所能拾取的磁通量約為水平測量環面的8倍。這是由于演示板上的厚銅鋪面對高頻磁通具有衰減作用，可以阻擋磁通穿透。因此，大部分磁通將沿演示板表面水平流動。
圖8.輸出電容周圍的詳細磁通分布
圖9更直觀地展示了垂直測量環路為何能拾取更多由熱環路產生的磁通。探頭的正極探頭、負極或接地探頭、探頭內部的回流路徑共同構成一個類似天線的環路，可拾取開關穩壓器周圍的高頻磁通。
圖9.VOUT測量環路所拾取的額外輻射噪聲
為進一步驗證這一原理，采用帶屏蔽的同一款探頭測量輸出電壓(VOUT)紋波，如圖10所示。手動將銅箔環繞到差分探頭上形成屏蔽層，探頭也將垂直于演示板。
圖10.采用差分探頭的VOUT測量：(a)無屏蔽；(b)帶銅箔屏蔽
結果表明，與圖10a無屏蔽測量相比，圖10b中采用屏蔽探頭后，高頻噪聲顯著降低。除高頻噪聲外，兩幅圖中的開關頻率紋波基本一致。此外，基于圖3所分析，由于電感寄生電容的影響，輸出電容兩端會存在高頻紋波，如圖10b中的波形所示。
圖11.VOUT測量結果：(a)無屏蔽：114.4mV；(b)帶屏蔽：27.2mV
結語
快速開關瞬態會在熱環路中產生高di/dt。對于降壓轉換器的輸出電壓紋波，電感寄生電容所形成的導通路徑會在高di/dt作用下引入高頻噪聲。
但在實際的VOUT紋波測量中，往往會拾取到頻率更高的噪聲，且這類噪聲同樣與開關動作同步。這種額外紋波同樣是由熱環路中高di/dt所產生的輻射噪聲。同時，高頻尖峰幅度會隨探頭在演示板上的位置而變化。Ansys仿真結果表明，垂直測量結構相比水平測量結構，能夠拾取熱環路產生的更多高頻磁通。
為進一步驗證此結論，采用帶屏蔽探頭對輸出電壓紋波進行了測量。結果顯示，與無屏蔽探頭相比，帶屏蔽探頭測得的高頻噪聲顯著降低，證明探頭確實會拾取額外的高頻輻射噪聲。電路板上COUT兩端真實的VOUT紋波，小于探頭測量得到的VOUT紋波值。
作者簡介
Yu Yan于田納西大學獲得電氣工程博士學位。他于2022年加入ADI公司，擔任應用工程師，涉足的專業領域包括直流-直流轉換器、交流-直流轉換器及數字控制。在校期間，他主要研究電動汽車充電器設計，在ADI任職后專注于電源模塊開發。
