【導讀】噪聲敏感器件的功耗不斷提高。醫療超聲成像係統、5G收發器和自動測試設備(ATE)等應用需要在麵積較小的PCB上實現高輸出電流（＞5 A）、低噪聲水平和高帶寬。由於對輸出電流的需求較高，以前使用的傳統雙級（降壓+低壓差(LDO)穩壓器）解決方案需要的PCB麵積較大，導致功耗較高
，因此不太受歡迎。

問題

能否進一步降低超低噪聲µModule®穩壓器的輸出開關噪聲
？

回答

使用二階輸出濾波器可將超低噪聲µModule穩壓器的輸出噪聲降低90%以yi上shang。選xuan擇ze電dian容rong和he電dian感gan元yuan件jian時shi必bi須xu謹jin慎shen，以yi確que保bao控kong製zhi回hui路lu能neng夠gou快kuai速su且qie穩wen定ding地di運yun作zuo。這zhe種zhong設she計ji對dui於yu無wu線xian和he射she頻pin應ying用yong特te別bie有you益yi
，因yin為wei快kuai速su瞬shun態tai響xiang應ying可ke有you效xiao縮suo短duan係xi統tong消xiao隱yin時shi間jian並bing提ti升sheng信xin號hao處chu理li效xiao率lv。此ci方fang法fa的de噪zao聲sheng水shui平ping與yuLDO相當，效率堪比開關穩壓器。

簡介

噪聲敏感器件的功耗不斷提高。醫療超聲成像係統、5G收發器和自動測試設備(ATE)等應用需要在麵積較小的PCB上實現高輸出電流（＞5 A）
、低噪聲水平和高帶寬。由於對輸出電流的需求較高，以前使用的傳統雙級（降壓+低壓差(LDO)穩壓器）解決方案需要的PCB麵積較大
，導致功耗較高
，因此不太受歡迎。

LTM4702超低噪聲µModule穩壓器采用ADI公司專有的Silent Switcher®技(ji)術(shu)
，兼(jian)具(ju)超(chao)快(kuai)瞬(shun)態(tai)響(xiang)應(ying)和(he)超(chao)低(di)噪(zao)聲(sheng)特(te)性(xing)。得(de)益(yi)於(yu)此(ci)
，該(gai)器(qi)件(jian)的(de)效(xiao)率(lv)可(ke)與(yu)同(tong)步(bu)開(kai)關(guan)穩(wen)壓(ya)器(qi)相(xiang)媲(pi)美(mei)，是(shi)大(da)電(dian)流(liu)和(he)噪(zao)聲(sheng)敏(min)感(gan)型(xing)應(ying)用(yong)的(de)理(li)想(xiang)選(xuan)擇(ze)。在(zai)許(xu)多(duo)應(ying)用(yong)中(zhong)，該(gai)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)可(ke)以(yi)省(sheng)去(qu)LDO電路
，從而節省約60%的LDO成本
、至少4 W的LDO功耗以及2 cm²以上的LDO PCB空間（包括間隙）。

眾所周知，對於某些要求開關頻率紋波非常小的應用，二階LC濾lv波bo器qi可ke以yi降jiang低di輸shu出chu電dian壓ya的de開kai關guan頻pin率lv諧xie波bo。然ran而er
，若ruo是shi既ji要yao盡jin量liang減jian小xiao開kai關guan紋wen波bo，又you要yao維wei持chi控kong製zhi環huan路lu穩wen定ding和he其qi高gao帶dai寬kuan，僅jin依yi靠kao這zhe種zhong方fang法fa是shi不bu可ke行xing的de
，未wei經jing優you化hua的deLC濾波器會使控製環路變得不穩定，導致輸出振蕩。本文先分析了二階LC濾波器的簡化環路，然後提出了用於指導電容分配和電感計算的直觀設計方法，最後通過LTM4702設計示例驗證了所提出的設計方法。

圖1.電流模式降壓穩壓器以及二階LC及其典型波特圖

二階LC輸出濾波器設計的環路分析

在電流模式降壓穩壓器中
，輸出阻抗是控製對象。圖1為二階LC的電路及其典型波特圖。為了在有負載時仍能準確調節直流電壓
，需要檢測VOUT遠端節點B。

從VOUT到iLO的轉換函數為：

從轉換函數（公式1）可知，二階LC濾波器會引入頻率為諧振頻率的雙極點。

從圖1中的典型波特圖可以看出，在諧振頻率處存在陡峭的90°相位延遲。為確保穩定性，諧振頻率應比控製環路帶寬高4到5倍，這是為了避免可能導致不穩定的90°相位延遲。此外，為使開關頻率紋波衰減到足夠低的水平，此諧振頻率應設置為開關頻率的1/5到1/4，以便LC濾lv波bo器qi能neng夠gou提ti供gong足zu夠gou的de濾lv波bo效xiao果guo。開kai關guan頻pin率lv下xia的de衰shuai減jian增zeng益yi和he控kong製zhi環huan路lu帶dai寬kuan之zhi間jian存cun在zai此ci消xiao彼bi長chang的de關guan係xi。但dan這zhe種zhong方fang法fa有you助zhu於yu選xuan擇ze諧xie振zhen頻pin率lv，並bing確que定ding合he適shi的deLC值。

為了保持相似的負載瞬態性能，添加LC濾波器前後的輸出阻抗應該保持一致。換句話說
，無論有沒有LC濾波器
，輸出電容都應該大致相同。根據以往的經驗，圖1中C2的電容值可以與未使用LC時相似，而C1可以使用小得多的電容，以便C1可以主導諧振頻率位置。由於C1遠小於C2
，公式2可以簡化為公式3：

建議C1至少為C2值的十分之一。選定C1之後，就可以使用公式3中的諧振頻率計算出Lf值。通過檢查實際元件的可用性
，可以確定合適的C1和Lf值。

元件選擇注意事項

在有效二階LC濾波器設計中，電容和電感元件的選擇至關重要。二階LC濾波器需要在開關頻率下提供足夠大的衰減。超低噪聲µModule穩壓器的開關頻率較高，約為1 MHz至3 MHz，因此二階LC中的電感和電容需具備良好的高頻特性。C2的選擇要求與沒有LC的設計類似，因此這裏不作討論。C1和Lf的選擇標準如下。

►C1電容的選擇標準。

1.C1的自諧振頻率必須高於開關頻率。開關頻率下C1的阻抗是二階LC設計的關鍵。建議使用陶瓷電容，其自諧振頻率可參考其阻抗與頻率的關係曲線來確定。通常
，典型的0603或0805尺寸陶瓷電容是理想選擇，其自諧振頻率必須在3 MHz以上。

2.為了承受所需電流
，RMS電流額定值應足夠高。假設所有交流紋波都經過C1
，那麼陶瓷電容應能處理較大的RMS紋波電流。可參考陶瓷電容的溫升與電流的關係曲線來確定其電流能力。根據經驗來看，對於0603尺寸的電容器
，約4 A rms是個不錯的選擇。

►Lf電感的選擇標準

1.對於8A以下的輸出電流，建議使用鐵氧體磁珠，因為它具有良好的高頻特性且尺寸緊湊。鐵氧體磁珠也有助於抑製極高頻率的尖峰1。對於8 A以上的輸出電流，或者需要較大電感，可能很難找到合適的鐵氧體磁珠，因此建議使用傳統的屏蔽電感。

2.選擇RMS電流額定值足夠大的鐵氧體磁珠/電感
，例如，對於8 A以下的輸出電流，選擇RMS電流額定值為8 A的電感。建議所選器件的電感值小於µModule器件電感值的10%。

超低噪聲µModule設計示例

圖2為LTM4702的設計示例。該方案兼具超低電磁幹擾(EMI)輻射和超低有效值噪聲特性，開關頻率可在300 kHz至3 MHz範圍內調節。在設計示例中
，開關頻率設置為2 MHz，以優化12 VIN至1 VOUT應用的噪聲性能。根據所提出的LC濾波器設計方法，二階LC的諧振頻率設置為400 kHz至500 kHz，是開關頻率的1/5至1/4。

圖2.LTM4702示例電路和電路板照片

目標控製環路帶寬為100 kHz
，LC諧振頻率是其4到5倍；C1使用兩個0603 4.7 µF電容；鐵氧體磁珠BLE18PS080SH1用作Lf
，其尺寸為0603
，如圖2所示；C2仍使用兩個1206 100 µF陶瓷電容；諧振頻率為424 kHz。

噪聲測量對比如圖3所示。在2 MHz開關頻率下，無LC的輸出開關紋波為234 µV，添加0603鐵氧體磁珠後大幅降低至15 µV。

圖3.無LC的開關噪聲(234 µV)與有LC的開關噪聲(15 µV)

為盡可能降低噪聲而添加的二階LC濾波器，能夠將控製環路帶寬維持在100 kHz，並保持快速瞬態響應，恢複時間小於10 µs。這些結果可以通過對比有無LC濾波器的實驗評估來確認。由於恢複時間在10 µs內，消隱時間可以忽略不計，這對於無線和射頻應用是非常不錯的表現。ADI公司的LTM4702幫助係統設計開發者解決了負載瞬態消隱時間挑戰，避免了信號處理效率低下的問題。

圖4的負載瞬態波形驗證了添加二階LC濾波器後

，設計具有快速瞬態響應，並且恢複時間在10 µs內，與沒有此濾波器的設計示例相比也毫不遜色。

圖4.負載瞬態結果：無LC與有LC（恢複時間在10 µs內）

結論

如何在支持大電流應用的同時盡量減少噪聲
，並確保高效率和穩定性
，是一項棘手難題。添加二階LC濾lv波bo器qi可ke以yi顯xian著zhu降jiang低di噪zao聲sheng，但dan如ru果guo優you化hua不bu當dang，可ke能neng會hui導dao致zhi電dian路lu不bu穩wen定ding。為wei了le在zai不bu影ying響xiang穩wen定ding性xing的de前qian提ti下xia盡jin可ke能neng地di降jiang低di噪zao聲sheng，應ying使shi用yong優you化hua的de二er階jieLC濾波器。基於開關頻率

、控製環路帶寬和諧振頻率精心選擇所需的電感和電容元件

，可以有效降低開關噪聲，同時保持快速瞬態響應和高帶寬特性。

參考文獻

1 Jim Williams.“AN101：盡可能地減少線性穩壓器輸出中的開關穩壓器殘留物”。淩力爾特，2005年7月。

（來源：ADI公司，作者：George (Zhijun) Qian，高級模擬設計工程經理，Jennifer Florence Joseph Benedicto
，高級設計評估工程師）

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