PCB電源:優(yōu)化噪聲敏感型電路的穩(wěn)壓器選擇
無(wú)論您是為音頻應(yīng)用、精密儀器還是 RF 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì),合適的穩(wěn)壓器都可以成就或破壞您的項(xiàng)目。在本綜合指南中,我們將深入探討如何優(yōu)化噪聲敏感型電路的穩(wěn)壓器選擇,重點(diǎn)介紹穩(wěn)壓器降噪 PCB、音頻低噪聲穩(wěn)壓器、穩(wěn)壓器紋波抑制 SMT 以及最小化 EMI 穩(wěn)壓器。讓我們探索如何通過(guò)為像您這樣的工程師量身定制的可行技巧和技術(shù)見(jiàn)解來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的電力輸送。
在噪聲敏感電路中,即使是電源的微小波動(dòng)也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的性能問(wèn)題。想想電源噪聲直接轉(zhuǎn)化為嗡嗡聲或失真的音頻放大器,或者紋波影響測(cè)量精度的高精度傳感器。穩(wěn)壓器是您抵御這些問(wèn)題的第一道防線。選擇合適的 PCB 并將其正確集成到您的 PCB 設(shè)計(jì)中,可確保穩(wěn)定、清潔的電力輸送。
關(guān)鍵考慮因素包括噪聲輸出、紋波抑制和電磁干擾 (EMI)。選擇不當(dāng)?shù)姆€(wěn)壓器可能會(huì)引入高達(dá) 100 μV RMS 的噪聲水平或無(wú)法抑制輸入紋波,從而直接影響電路性能。在這篇文章中,我們將分解穩(wěn)壓器的類(lèi)型、規(guī)格和設(shè)計(jì)策略,以幫助您做出明智的決策。
在深入研究選擇標(biāo)準(zhǔn)之前,讓我們先澄清一下“噪聲”在穩(wěn)壓器中的含義。噪聲是指穩(wěn)壓器輸出端不需要的電壓波動(dòng),通常在特定頻率范圍(10 Hz 至 100 kHz)內(nèi)以微伏 RMS(均方根)為單位測(cè)量。對(duì)于噪聲敏感型應(yīng)用,您需要一個(gè)輸出噪聲低于 10 μV RMS 的穩(wěn)壓器,以避免干擾微弱信號(hào)。
另一方面,紋波是穩(wěn)壓器無(wú)法濾除的輸入電源中的殘余交流分量。穩(wěn)壓器抑制這種情況的能力通過(guò)其電源抑制比 (PSRR) 來(lái)量化,以分貝 (dB) 表示。音頻或精密電路通常需要 60 dB 或更高的 PSRR,以確保輸入波動(dòng)不會(huì)影響輸出。
EMI 是另一個(gè)問(wèn)題,尤其是在高頻設(shè)計(jì)中。穩(wěn)壓器,尤其是開(kāi)關(guān)型穩(wěn)壓器,會(huì)產(chǎn)生干擾附近元件的 EMI。最小化 EMI 穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)涉及元件選擇和 PCB 布局技術(shù),我們將在后面介紹。
需要考慮的穩(wěn)壓器主要有兩大類(lèi):線性穩(wěn)壓器和開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。對(duì)于噪聲敏感型應(yīng)用,每種應(yīng)用都有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。讓我們來(lái)分析一下。
線性穩(wěn)壓器,如低壓差 (LDO) 穩(wěn)壓器,通常是噪聲敏感型電路的首選。它們的工作原理是將多余的電壓以熱量的形式耗散,從而產(chǎn)生非常干凈的輸出和最小的噪聲——對(duì)于德州儀器 (TI) TPS7A47 等高性能型號(hào),通常低于 5 μV RMS。
對(duì)于音頻應(yīng)用的低噪聲穩(wěn)壓器,LDO 因其高 PSRR(1 kHz 時(shí)高達(dá) 70 dB)和低輸出噪聲而大放異彩。然而,它們?cè)谳^高電流或大壓降下效率較低,導(dǎo)致散熱挑戰(zhàn)。如果您的設(shè)計(jì)在 3.3V 電壓下工作,輸入為 5V,并且功耗低于 500 mA,那么 LDO 是理想的選擇。
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器(如降壓或升壓轉(zhuǎn)換器)的效率要高得多,尤其是對(duì)于大電流或?qū)掚妷翰罘衷O(shè)計(jì)。但是,它們會(huì)引入開(kāi)關(guān)噪聲,通常在 50-100 μV RMS 范圍內(nèi),并且由于高頻工作(通常為 100 kHz 至 2 MHz)而會(huì)產(chǎn)生顯著的 EMI。
對(duì)于噪聲敏感電路,開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器通常與后置穩(wěn)壓 LDO 配對(duì),以清理輸出。這種混合方法平衡了效率和噪音,但增加了復(fù)雜性和成本。如果擔(dān)心 EMI,請(qǐng)尋找具有擴(kuò)頻調(diào)制功能的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,以減少峰值干擾。
在為噪聲敏感電路選擇穩(wěn)壓器時(shí),應(yīng)關(guān)注這些關(guān)鍵規(guī)格。了解這些將有助于您將穩(wěn)壓器與應(yīng)用需求相匹配。
如前所述,輸出噪聲至關(guān)重要。對(duì)于音頻電路或精密模擬設(shè)計(jì),應(yīng)選擇噪聲水平低于 10 μV RMS 的穩(wěn)壓器。查看數(shù)據(jù)表,了解與您的應(yīng)用相關(guān)的整個(gè)頻段的噪聲性能。例如,音頻電路對(duì) 20 Hz 到 20 kHz 之間的噪聲最敏感。
對(duì)于穩(wěn)壓器紋波抑制 SMT 設(shè)計(jì),PSRR 是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)。更高的 PSRR 意味著更好的輸入紋波抑制能力。在您的工作頻率下尋找高于 60 dB 的值。例如,Analog Devices 的 LT3045 在 1 kHz 時(shí)提供 76 dB 的 PSRR,使其非常適合在表面貼裝技術(shù) (SMT) 應(yīng)用中抑制電源噪聲。
負(fù)載調(diào)整率表示輸出電壓隨負(fù)載電流變化的變化量,而線路調(diào)整率顯示輸入電壓變化的影響。對(duì)于精密電路,負(fù)載調(diào)整率應(yīng)低于 0.1%,線路調(diào)整率應(yīng)低于 0.01%,以確保動(dòng)態(tài)條件下的穩(wěn)定性。
對(duì)于 LDO,壓差(調(diào)節(jié)所需的最小輸入輸出電壓差)很重要。較低的壓差(例如,Nisshinbo NR1644 為 0.2V)允許在更接近輸出電壓的位置工作,從而提高了低壓設(shè)計(jì)的效率。
如果 PCB 布局未優(yōu)化,即使是最好的穩(wěn)壓器也可能表現(xiàn)不佳。不良的布局會(huì)引入噪聲,降低紋波抑制能力,并放大 EMI。以下是穩(wěn)壓器降噪 PCB 設(shè)計(jì)的行之有效的策略。
接地回路是 PCB 設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)噪聲源。使用實(shí)心接地層,并確保穩(wěn)壓器的接地引腳以最小的走線長(zhǎng)度直接連接到它。避免在嘈雜的數(shù)字電路和敏感的模擬部分之間共享接地路徑。如果可能,將接地層分成模擬和數(shù)字部分,將它們連接在穩(wěn)壓器附近的一個(gè)點(diǎn)上。
去耦電容可過(guò)濾穩(wěn)壓器輸入和輸出端的高頻噪聲。將 0.1 μF 陶瓷電容器放置在盡可能靠近輸入和輸出引腳的位置——最好在 2 mm 以?xún)?nèi)。對(duì)于 LDO,請(qǐng)查看數(shù)據(jù)表中的推薦輸出電容器值(通常為 1-10 μF)以確保穩(wěn)定性,因?yàn)槟承┓€(wěn)壓器需要特定的電容和 ESR(等效串聯(lián)電阻)才能正常工作。
長(zhǎng)功率走線充當(dāng)天線,拾取或輻射噪聲。輸入和輸出走線的布線盡可能短和寬,以減少電阻和電感。對(duì)于 SMT 設(shè)計(jì),請(qǐng)謹(jǐn)慎在穩(wěn)壓器附近使用過(guò)孔,以避免增加電感。
為了最大限度地降低 EMI 穩(wěn)壓器的性能,元件選擇和布局都起著重要作用。開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器因其快速開(kāi)關(guān)邊沿而臭名昭著,但即使是線性穩(wěn)壓器,如果設(shè)計(jì)不仔細(xì),也會(huì)拾取或輻射干擾。
尋找具有擴(kuò)頻調(diào)制等功能的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,該功能可以隨機(jī)化開(kāi)關(guān)頻率以降低 EMI 峰值。例如,Texas Instruments TPS54202 就具有此功能,專(zhuān)為噪聲敏感型應(yīng)用中的低 EMI 而設(shè)計(jì)。
在穩(wěn)壓器輸入端添加鐵氧體磁珠或電感器,以過(guò)濾來(lái)自電源的高頻 EMI。對(duì)于敏感設(shè)計(jì),請(qǐng)考慮在 PCB 上使用金屬外殼或保護(hù)環(huán)來(lái)屏蔽穩(wěn)壓器區(qū)域,以遏制輻射干擾。
對(duì)于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器,開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)(電感連接的地方)是主要的 EMI 源。保持此節(jié)點(diǎn)的區(qū)域較小,并避免在附近路由敏感跟蹤。將電感和輸出電容放在靠近穩(wěn)壓器的位置,以盡量減少環(huán)路面積。
音頻電路對(duì)電源噪聲特別敏感,因?yàn)樗赡鼙憩F(xiàn)為嗡嗡聲、嗡嗡聲或動(dòng)態(tài)范圍減小。為音頻選擇低噪聲穩(wěn)壓器時(shí),應(yīng)優(yōu)先考慮在可聽(tīng)頻率范圍(20 Hz 至 20 kHz)內(nèi)具有高 PSRR 的超低噪聲 LDO。
例如,凌力爾特的 LT3042 在 1 kHz 時(shí)提供僅 0.8 μV RMS 的噪聲水平和 79 dB 的 PSRR,非常適合為音頻前置放大器或 DAC 供電。此外,對(duì)音頻電路的模擬和數(shù)字部分使用單獨(dú)的穩(wěn)壓器,以防止數(shù)字開(kāi)關(guān)噪聲污染模擬電源。
在我設(shè)計(jì)高保真音頻板的經(jīng)驗(yàn)中,我發(fā)現(xiàn)與基本的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器設(shè)置相比,將 LDO 與設(shè)計(jì)良好的接地層配對(duì)可將可聞噪聲降低 30 dB 以上。在原型設(shè)計(jì)期間,使用音頻分析儀隔離電源域和測(cè)試本底噪聲是值得的。
選擇穩(wěn)壓器并設(shè)計(jì) PCB 后,測(cè)試至關(guān)重要。使用示波器測(cè)量典型工作條件下的輸出噪聲和紋波。將示波器設(shè)置為具有 20 MHz 帶寬限制的 AC 耦合,以避免拾取不相關(guān)的高頻噪聲。
對(duì)于 EMI,使用頻譜分析儀檢查穩(wěn)壓器開(kāi)關(guān)頻率(如果適用)周?chē)碾s散發(fā)射。如果噪聲或 EMI 超過(guò)可接受的水平(例如,音頻電路的 RMS 高于 10 μV RMS),請(qǐng)重新檢查您的布局或在輸入處添加額外的濾波元件,例如 pi 濾波器(電感器-電容-電感器)。
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