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電源設(shè)計(jì)技巧十例之一：為電源選擇最佳工作頻率

無噪聲電源并非是偶然設(shè)計(jì)出來的。一種好的電源布局是在設(shè)計(jì)時(shí)最大程度的縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間。花費(fèi)數(shù)分鐘甚至是數(shù)小時(shí)的時(shí)間來仔細(xì)查看電源布局，便可以省去數(shù)天的故障排查時(shí)間。

圖 1 顯示的是電源內(nèi)部一些主要噪聲敏感型電路的結(jié)構(gòu)圖。將輸出電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較以生成一個(gè)誤差信號，然后再將該信號與一個(gè)斜坡相比較，以生成一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)功率級的 PWM（脈寬調(diào)制）信號。

電源噪聲主要來自三個(gè)地方：誤差放大器輸入與輸出、參考電壓以及斜坡。對這些節(jié)點(diǎn)進(jìn)行精心的電氣設(shè)計(jì)和物理設(shè)計(jì)有助于最大程度地縮短故障診斷時(shí)間。一般而言，噪聲會(huì)與這些低電平電路電容耦合。一種卓越的設(shè)計(jì)可以確保這些低電平電路的緊密布局，并遠(yuǎn)離所有開關(guān)波形。接地層也具有屏蔽作用。

誤差放大器輸入端可能是電源中最為敏感的節(jié)點(diǎn)，因?yàn)槠渫ǔ＞哂凶疃嗟倪B接組件。如果將其與該級的極高增益和高阻抗相結(jié)合，后患無窮。因此，在布局過程中，我們必須最小化節(jié)點(diǎn)長度，并盡可能近地將反饋和輸入組件靠近誤差放大器放置。如果反饋網(wǎng)絡(luò)中存在高頻積分電容，那么您必須將其靠近放大器放置，其他反饋組件緊跟其后。并且，串聯(lián)電阻-電容也可能形成補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。最理想的結(jié)果是，將電阻靠近誤差放大器輸入端放置，這樣，如果高頻信號注入該電阻-電容節(jié)點(diǎn)時(shí)，那么該高頻信號就不得不承受較高的電阻阻抗—而電容對高頻信號的阻抗則很小。

斜坡是另一個(gè)潛在的會(huì)帶來噪聲問題的地方。斜坡通常由電容器充電（電壓模式）生成，或由來自于電源開關(guān)電流的采樣（電流模式）生成。通常，電壓模式斜坡并不是一個(gè)問題，因?yàn)殡娙輰Ω哳l注入信號的阻抗很小。而電流斜坡卻較為棘手，因?yàn)榇嬖诹松仙呇胤逯怠⑾鄬^小的斜坡振幅以及功率級寄生效應(yīng)。

圖2 顯示了電流斜坡存在的一些問題。第一幅圖顯示了上升邊沿峰值和隨后產(chǎn)生的電流斜坡。比較器（根據(jù)其不同速度）具有兩個(gè)電壓結(jié)點(diǎn) (potential trip points)，結(jié)果是無序控制運(yùn)行，聽起來更像是煎熏肉的聲音。

利用控制 IC 中的上升邊沿消隱可以很好地解決這一問題，其忽略了電流波形的最初部分。波形的高頻濾波也有助于解決該問題。同樣也要將電容器盡可能近地靠近控制 IC 放置。正如這兩種波形表現(xiàn)出來的那樣，另一種常見的問題是次諧波振蕩。這種寬－窄驅(qū)動(dòng)波形表現(xiàn)為非充分斜率補(bǔ)償。向當(dāng)前斜坡增加更多的電壓斜坡便可以解決該問題。


盡管我們已經(jīng)相當(dāng)仔細(xì)地設(shè)計(jì)了電源布局，但是原型電源還是存在噪聲。這該怎么辦呢？首先，要確定消除不穩(wěn)定因素的環(huán)路響應(yīng)不存在問題。有趣的是，噪聲問題可能會(huì)看起來像是電源交叉頻率上的不穩(wěn)定。但真正的情況是該環(huán)路正以其最快響應(yīng)速度糾出注入誤差。同樣，最佳方法是識別出噪聲正被注入下列三個(gè)地方之一：誤差放大器、參考電壓或斜坡。只需要分步解決便可！
 
第一步是檢查節(jié)點(diǎn)，看斜坡中是否存在明顯的非線性，或者誤差放大器輸出中是否存在高頻率變化。如果檢查后沒有發(fā)現(xiàn)任何問題，那么就將誤差放大器從電路中取出，并用一個(gè)清潔的電壓源加以代替。這樣應(yīng)該就能夠改變該電壓源的輸出，以平穩(wěn)地改變電源輸出。如果這樣做奏效的話，那么就已經(jīng)將問題范圍縮小至參考電壓和誤差放大器了。

有時(shí)，控制 IC 中的參考電壓易受開關(guān)波形的影響。利用添加更多（或適當(dāng)）的旁路可能會(huì)使這種狀況得到改善。另外，使用柵極驅(qū)動(dòng)電阻來減緩開關(guān)波形也可能會(huì)有助于解決這一問題。如果問題出在誤差放大器上，那么降低補(bǔ)償組件阻抗會(huì)有所幫助，因?yàn)檫@樣降低了注入信號的振幅。如果所有這些方法都不奏效，那么就從印刷電路板將誤差放大器節(jié)點(diǎn)去除。對補(bǔ)償組件進(jìn)行架空布線 (air wiring) 可以幫助我們識別出哪里有問題。

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