如何優化超低雜訊µModule穩壓器的二階輸出濾波器

作者：ADI 資深類比設計工程經理 George (Zhijun) Qian 及資深設計評估工程師 Jennifer Florence Joseph Benedicto

問題

能否進一步降低超低雜訊µModule®穩壓器的輸出開關雜訊？

答案

使用二階輸出濾波器可將超低雜訊µModule穩壓器的輸出雜訊降低90%以上。選擇電容和電感元件時必須更加謹慎，以確保控制迴路能夠快速且穩定地運作。此種設計對於無線和射頻應用特別有益，因為快速瞬態響應可有效縮短系統消隱時間並提升訊號處理效率。此方法的雜訊水準與LDO相當，並且效率堪比開關穩壓器。

簡介

雜訊敏感元件的功耗不斷提高。醫療超音波成像系統、5G收發器和自動測試設備(ATE)等應用需要在面積較小的PCB上實現高輸出電流（＞5 A）、低雜訊水準和高頻寬。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面積較大，導致功耗較高，因此較少受到青睞。

LTM4702超低雜訊µModule穩壓器採用ADI專有的Silent Switcher®技術，兼具超快瞬態響應和超低雜訊特性。得益於此，該元件的效率可與同步開關穩壓器相互媲美，是大電流和雜訊敏感型應用的理想選擇。在許多應用中，該解決方案可以省去LDO電路，進而節省約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）。

眾所皆知，對於某些要求開關頻率漣波非常小的應用，二階LC濾波器可以降低輸出電壓的開關頻率諧波。然而，若是既要儘量減小開關漣波，又要維持控制迴路穩定和其高頻寬，僅依靠這種方法是不可行的，未經優化的LC濾波器會使控制迴路變得不穩定，導致輸出振盪。本文先分析了二階LC濾波器的簡化迴路，然後提出了用於指導電容分配和電感計算的直覺設計方法，最後透過LTM4702設計示例驗證了所提出的設計方法。

二階LC輸出濾波器設計的迴路分析

在電流模式降壓穩壓器中，輸出阻抗是控制物件。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精準調節直流電壓，需要檢測 V_OUT 遠端節點B。

從V_OUT到i_LO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，諧振頻率應比控制迴路頻寬高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，為使開關頻率漣波衰減到夠低的水準，此諧振頻率應設定為開關頻率的1/5到1/4，以便LC濾波器能夠提供足夠的濾波效果。開關頻率下的衰減增益和控制迴路頻寬之間存在此消彼長的關係。但這種方法有助於選擇諧振頻率，並確定合適的LC值。

為了保持相似的負載瞬態性能，增加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可以使用更小的電容，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。透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非常重要。二階LC濾波器需要在開關頻率下提供夠大的衰減。超低雜訊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，因此這裡不作討論。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。一般來說，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電流額定值應夠高。假設所有交流漣波都經過C1，那麼陶瓷電容應能處理較大的RMS漣波電流。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精巧。鐵氧體磁珠也有助於抑制極高頻率的尖峰 ¹。對於8 A以上的輸出電流，或者需要較大電感，但由於可能很難找到合適的鐵氧體磁珠，因此建議使用傳統的遮罩電感。
  2. 選擇RMS電流額定值夠大的鐵氧體磁珠/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。建議所選元件的電感值小於µModule元件電感值的10%。

超低雜訊µModule設計示例

圖2為LTM4702的設計示例。該方案兼具超低電磁干擾(EMI)輻射和超低有效值雜訊特性，開關頻率可在300 kHz至3 MHz範圍內調節。在設計示例中，開關頻率設定為2 MHz，以優化12 V_IN至1 V_OUT應用的雜訊性能。根據所提出的LC濾波器設計方法，二階LC的諧振頻率設定為400 kHz至500 kHz，是開關頻率的1/5至1/4。

目標控制迴路頻寬為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。

雜訊測量對比如圖3所示。在2 MHz開關頻率下，無LC的輸出開關漣波為234 µV，增加0603鐵氧體磁珠後大幅降低至15 µV。

為盡可能降低雜訊而增加的二階LC濾波器，能夠將控制迴路頻寬維持在100 kHz，並保持快速瞬態響應，恢復時間小於10 µs。這些結果可以透過對比有無LC濾波器的實驗評估來確認。由於恢復時間在10 µs內，因此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 LTM4702協助系統設計開發者解決了負載瞬態消隱時間挑戰，避免了訊號處理效率低下的問題。

圖4的負載瞬態波形驗證了增加二階LC濾波器後，設計具有快速瞬態響應，並且恢復時間在10 µs內，與沒有此濾波器的設計示例相比也毫不遜色。

結論

如何在支援大電流應用的同時儘量減少雜訊並確保高效率和穩定性是一項棘手難題。增加二階LC濾波器可以明顯降低雜訊，但如果優化不當，可能會導致電路不穩定。為了在不影響穩定性的前提下盡可能地降低雜訊，應使用優化的二階LC濾波器。基於開關頻率、控制迴路頻寬和諧振頻率精心選擇所需的電感和電容元件，可以有效降低開關雜訊，同時保持快速瞬態響應和高頻寬特性。

參考文獻

¹Jim 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」。ADI，2005年7月。