降壓型直流-直流轉換器有效地將直流電壓“分成”交流電壓，然后轉換回到偽直流電壓。此過(guò)程產(chǎn)生了四種不同的噪聲：1) 轉換器直流輸出側的紋波電壓，2) 轉換器輸入電源側的紋波電壓，3) 輻射性電磁干擾，和4)傳導性電磁干擾。

輸出電壓紋波

每個(gè)被動(dòng)元件除了本身的基本功能（電阻、電容、電感）外，還具有另外兩個(gè)寄生元素：如果是電容，即為等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和等效串聯(lián)電感 (ESL)；如果是電阻，則是等效串聯(lián)電感和等效并聯(lián)電容。

輸出紋波是交流紋波電流分流或流經(jīng)輸出濾波電容時(shí)的副產(chǎn)物。圖2展示了小型的輸出濾波電容信號模型，和該模型各成分對輸出紋波波形的作用。請注意輸出濾波電容的ESL是由PCB引線(xiàn)的寄生電感和轉換器的內部寄生電感結合形成。ESL通過(guò)感應“振動(dòng)”產(chǎn)生高頻尖峰信號。

圖2：輸出電壓紋波分量和來(lái)源

大多數直流-直流轉換器供應商的數據表顯示了低通濾波紋波的波形，因此通常無(wú)法穩定指示給定應用情況中PCB上測量得到的實(shí)際紋波。

降噪策略

基本而言，要降低輸出紋波可通過(guò)減小紋波電流和 / 或降低電容器 的ESR和ESL以及PCB引線(xiàn)的ESL。

●在開(kāi)關(guān)頻率較高的一側操作將降低給定電感值的紋波電流，從而可以使用較小且ESR/ESL較低的陶瓷電容。但開(kāi)關(guān)頻率的升高會(huì )增加MOSFET開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)損耗，并影響效率。

●將多個(gè)電容并聯(lián)可降低ESR/ESL，就如將電阻并聯(lián)以降低其合成電阻一樣。隨著(zhù)電容個(gè)數增加，PCB ESL增加，其效果受到限制，并且將增加轉換器的消耗。

●使用小尺寸的濾波元件（電感器和電容）可以減少PCB的長(cháng)度，從而降低PCB ESL�？上�小尺寸的電感器通常會(huì )導致紋波電流較大，但不增加開(kāi)關(guān)頻率。

●使用兩級濾波，例如在直流-直流輸出濾波段和目標負載之間使用鐵氧體磁珠和電容。這種方法的缺點(diǎn)在于額外的致?lián)p耗元件將影響調壓效果，并可能降低效率。

輸入電壓紋波

隨著(zhù)SW1 MOSFET打開(kāi)和閉合，電流從電源（V_IN）流出，形成近似矩形的脈沖波形。上升和下降時(shí)間非�？�，大約幾毫微秒。

與由輸出濾波電容和PCB引線(xiàn)ESL產(chǎn)生的輸出紋波相似，輸入濾波電容ESR和ESL，以及電源PCB引線(xiàn)ESL產(chǎn)生輸入紋波。然而，隨著(zhù)電流時(shí)間比(di/dt)的變化增大，輸入電流紋波幅度要大的多。因此，PCB電感的影響更為重要，而輸入濾波電容必須耐受更高的RMS電流。又大又快的開(kāi)關(guān)電流也是傳導性和輻射性EMI（稍后將探討）的主要來(lái)源。

降噪策略

●與輸出濾波電容一樣，在開(kāi)關(guān)頻率較高的一側操作將可以使用較小且ESR/ESL較低的陶瓷輸入濾波電容。同樣應注意開(kāi)關(guān)損耗將變大。

●將輸入濾波回路中的寄生電感降至最低。這主要通過(guò)將濾波電容盡可能靠近直流-直流轉換器，以及盡可能短且寬的PCB引線(xiàn)來(lái)實(shí)現。通常不得將輸入濾波電容安裝在PCB的對邊且通過(guò)vias與直流-直流轉換器連接，否則會(huì )將大量電感引入電流回路中。

輻射性EMI

●又大又快的開(kāi)關(guān)電流流經(jīng)輸入交流電流回路會(huì )產(chǎn)生輻射性EMI。如電磁場(chǎng)課程所述，環(huán)形天線(xiàn)的輻射效率是回路半徑相對于輻射波長(cháng)的函數。

●

●公式1列出了環(huán)形天線(xiàn)輻射產(chǎn)生的功率與半徑r和波長(cháng)λ的關(guān)系；h是自由空間常數。請注意回路半徑存在r₈關(guān)系，而波長(cháng)存在λ₄的關(guān)系。因此，在頻率較高的一側操作的顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)是可使用較小尺寸的元件，以縮小輸入電流回路半徑。

降噪策略

減少輸入交流電流回路的半徑。通過(guò)在較高頻率一側開(kāi)關(guān)以使用較小尺寸的陶瓷濾波電容，即可達到此目的。同樣應注意，如上文所述，開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗也越大。

傳導性EMI

傳導性EMI有兩個(gè)主要來(lái)源：首先是輸入電壓干線(xiàn)產(chǎn)生的快速開(kāi)關(guān)輸入電流，它會(huì )造成電源紋波（差模）和接地彈跳（共模）EMI；其次則是在電路板PCB引線(xiàn)上的電感器磁通泄漏耦合。

降噪策略

●使用大小合適的輸入濾波電容供應或過(guò)濾高頻交流電源，以便盡可能降低電源干線(xiàn)上的電流。

●將輸入交流電流回路中的寄生電感和 ESL 降至最低。這可以通過(guò)在開(kāi)關(guān)頻率較高的一側操作實(shí)現，這樣就可以使用低 ESL 的陶瓷電容器，從而縮小回路半徑。需要再次強調的是開(kāi)關(guān)頻率越高，開(kāi)關(guān)損耗也越高。

●讓輸入濾波電容的 PCB 引線(xiàn)盡可能短且寬以降低引線(xiàn)電感。

●使用屏蔽式電感器以降低磁漏。

Enpirion于2004年推出全球第一個(gè)PowerSoC 。PowerSoC在單個(gè)IC套件中集成了完整的直流 - 直流轉換器，包括控制器、柵極驅動(dòng)器、MOSFET開(kāi)關(guān)、高頻去耦，以及最重要的電感器。大多數 PowerSoC 只需要輸入和輸出濾波電容，因此整個(gè)解決方案既簡(jiǎn)單又輕巧。

●使用專(zhuān)用的深亞微米高頻 LDMOS 既可實(shí)現低開(kāi)關(guān)損耗，又能集成整套的控制、驅動(dòng)和開(kāi)關(guān)元件。低開(kāi)關(guān)損耗可以實(shí)現高開(kāi)關(guān)頻率，例如 5MHz。

●高密度、高磁導率、小體積的磁性元件可以實(shí)現最低的交流損耗和低直流電阻。小體積的磁性元件和磁結構具有自屏蔽特性，可以降低磁漏。高開(kāi)關(guān)頻率則允許使用尺寸非常小的電感器。

●高開(kāi)關(guān)頻率還允許使用小型的輸入和輸出濾波電容，這樣一來(lái)，可以縮小輸入和輸出交流回路的尺寸，從而降低紋波和 EMI。

●套件布線(xiàn)經(jīng)過(guò)設計可進(jìn)一步縮小輸入和輸出交流濾波回路的半徑，從而盡可能降低輻射性和傳導性 EMI 以及紋波。

●套件設計包括射頻技術(shù)，旨在盡可能降低內部電路元件內的寄生阻抗以保持套件內的高頻交流電源。

PowerSoC結果與離散實(shí)現方案

圖3–6展示了 PowerSoC 與離散式直流 - 直流轉換器實(shí)現方案的對比結果。

圖3:典型4A大小的轉換器解決方案區域對比。PowerSoC（左圖）的輸入和輸出交流電流回路非常小，相當于典型離散式實(shí)現方案尺寸的1/7。黃色虛線(xiàn)方框表示PowerSoC尺寸和離散式直流-直流轉換器的對比結果。

圖4:PowerSoC（左圖）與離散式直流-直流轉換器實(shí)現方案（右圖）的輸出紋波電壓對比。二者使用相同的設備和技術(shù)在供應商評估板上測量紋波。測量帶寬為500MHz。

圖5:輻射性EMI測量結果；CISPR22 B等級3m。左圖為PowerSoC，右圖為離散式實(shí)現方案，均在供應商評估板上測量得出。

圖6:輸入接地端子上測量的傳導性干擾

采用Enpirion PowerSoC的供電Rocket IO應用實(shí)例

設計制造的子板插到Virtex 5開(kāi)發(fā)板上（圖7）。對采用Enpirion裝置驅動(dòng)的開(kāi)發(fā)板和線(xiàn)性穩壓器執行同樣的抖動(dòng)測量。分別測量Enpirion PowerSoC有兩級濾波和無(wú)兩級濾波的效果。抖動(dòng)測量結果如表1所示。

表1. Rocket IO的抖動(dòng)測量結果

圖7:帶Enpirion PowerSoC的子板

結論

對FPGA設計師而言PowerSoC代表強效的新型工具。這種裝置能夠有效減少從基于線(xiàn)性穩壓器的電壓轉換器向更高效的開(kāi)關(guān)模式轉換器轉變過(guò)程中面臨的諸多問(wèn)題。 PowerSoC具有和線(xiàn)性穩壓器相似的覆蓋區域，易于設計，同時(shí)也擁有開(kāi)關(guān)模式轉換器的高效率，卻可免去離散式轉換器實(shí)現方案的噪聲和復雜度。