在當(dāng)今的電子設(shè)備設(shè)計(jì)領(lǐng)域，電源的高效性與穩(wěn)定性始終是工程師們關(guān)注的核心要點(diǎn)。對于眾多對噪聲極為敏感的設(shè)備而言，找到一款既能提供高效動(dòng)力支持，又能確保低噪聲穩(wěn)定運(yùn)行的電源，無疑是整個(gè)設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在這一探索過程中，帶有次級(jí) LC 濾波器的開關(guān)穩(wěn)壓器逐漸嶄露頭角，展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢與潛力。然而，如何進(jìn)一步挖掘其潛力，使其在電源供應(yīng)方面發(fā)揮出更為卓越的效能，成為了當(dāng)下亟待解決的重要課題。

傳統(tǒng)電源方案的困境

在以往的設(shè)計(jì)中，線性穩(wěn)壓器(LDO)常常被用于為那些對噪聲敏感的設(shè)備供電。LDO 穩(wěn)壓器憑借其出色的低頻噪聲抑制能力，能夠有效地過濾掉系統(tǒng)電源中常見的低頻干擾信號(hào)，從而為諸如 ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)、PLL(鎖相環(huán))或 RF(射頻)收發(fā)器等設(shè)備提供極為干凈、穩(wěn)定的電源。這使得這些對電源質(zhì)量要求極高的設(shè)備能夠在相對純凈的電源環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，保證了其性能的正常發(fā)揮。

然而，LDO 穩(wěn)壓器并非完美無缺，其在效率方面存在著顯著的短板。特別是當(dāng) LDO 穩(wěn)壓器需要將高于輸出電壓數(shù)伏的電源軌進(jìn)行降壓處理時(shí)，這種效率低下的問題就顯得尤為突出。在這種情況下，LDO 穩(wěn)壓器的效率通常只能維持在 30% 至 50% 的區(qū)間范圍內(nèi)，這意味著大量的電能在轉(zhuǎn)換過程中被白白浪費(fèi)，不僅造成了能源的損耗，還可能導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生過多的熱量，影響設(shè)備的穩(wěn)定性和使用壽命。

相比之下，開關(guān)穩(wěn)壓器在效率方面則展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。在理想的工作狀態(tài)下，開關(guān)穩(wěn)壓器能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá) 90% 甚至更高的效率，這使得它在能源利用方面具有極大的吸引力。然而，開關(guān)穩(wěn)壓器也并非十全十美，其最大的問題在于產(chǎn)生的噪聲過大。由于開關(guān)穩(wěn)壓器的工作原理是通過快速的開關(guān)動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換，這種高頻的開關(guān)操作不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種噪聲，其中輸出紋波是最為突出的噪聲源之一。這些噪聲如果直接作用于 ADC 或 PLL 等對噪聲極為敏感的設(shè)備，將會(huì)對其性能產(chǎn)生嚴(yán)重的負(fù)面影響，導(dǎo)致設(shè)備的信噪比(SNR)降低，無雜散動(dòng)態(tài)范圍(SFDR)變窄，從而使設(shè)備無法正常工作。

次級(jí) LC 濾波器的引入

為了在保持高效率的同時(shí)，有效解決開關(guān)穩(wěn)壓器噪聲過大的問題，工程師們通常會(huì)在開關(guān)穩(wěn)壓器的輸出端增加一個(gè)次級(jí) LC 濾波器(由 L?和 C?組成)。這個(gè)看似簡單的濾波器，卻能夠發(fā)揮出至關(guān)重要的作用。它能夠有效地減少開關(guān)穩(wěn)壓器輸出的紋波，抑制高頻噪聲的傳播，從而為后端的敏感設(shè)備提供一個(gè)相對較為干凈、穩(wěn)定的電源環(huán)境。

從理論上來說，LC 濾波器利用電感和電容的特性，對不同頻率的信號(hào)進(jìn)行選擇性的過濾。電感對于高頻信號(hào)具有較高的阻抗，能夠阻礙高頻噪聲的通過;而電容則對低頻信號(hào)具有較低的阻抗，能夠?qū)⒌皖l雜波引導(dǎo)到地，從而實(shí)現(xiàn)對電源信號(hào)的凈化。通過合理選擇 L?和 C?的參數(shù)，可以使濾波器在特定的頻率范圍內(nèi)發(fā)揮最佳的濾波效果，最大限度地減少開關(guān)穩(wěn)壓器輸出信號(hào)中的紋波和噪聲。

然而，事物總是具有兩面性。雖然次級(jí) LC 濾波器在降低噪聲方面具有顯著的效果，但它也帶來了一些新的問題。由于 LC 濾波器的引入，整個(gè)功率級(jí)傳輸函數(shù)的建模變得更加復(fù)雜。在理想情況下，功率級(jí)傳輸函數(shù)可以被建模為一個(gè)四階系統(tǒng)，而這個(gè)四階系統(tǒng)本身就具有一定的不穩(wěn)定性。如果再考慮到電流環(huán)路中的采樣數(shù)據(jù)效應(yīng)，那么完整的控制至輸出的傳遞函數(shù)將進(jìn)一步提升為五階系統(tǒng)，這無疑大大增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試的難度。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，由于次級(jí) LC 濾波器上會(huì)產(chǎn)生較大的壓降，這可能會(huì)導(dǎo)致輸出電壓調(diào)節(jié)性能變差，從而影響設(shè)備的正常工作。

提升效率的關(guān)鍵一招 —— 優(yōu)化反饋控制

針對上述問題，一種創(chuàng)新的混合反饋方法應(yīng)運(yùn)而生，這成為了讓帶有次級(jí) LC 濾波器的開關(guān)穩(wěn)壓器更加高效的關(guān)鍵所在。這種混合反饋方法巧妙地結(jié)合了遠(yuǎn)程電壓反饋和本地電壓反饋兩種方式，充分發(fā)揮它們在不同頻率范圍內(nèi)的優(yōu)勢，從而實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)性能的全面提升。

遠(yuǎn)程電壓反饋通過電阻分壓器從輸出端獲取信號(hào)，主要用于檢測低頻信號(hào)，其目的在于提供良好的直流輸出調(diào)節(jié)，確保輸出電壓在長時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。而本地電壓反饋則是通過電容器 CF 從初級(jí) LC 濾波器獲取信號(hào)，它主要用于檢測高頻信號(hào)，為系統(tǒng)提供良好的交流穩(wěn)定性，有效抑制高頻噪聲和紋波的干擾。通過這種巧妙的設(shè)計(jì)，遠(yuǎn)程反饋和本地反饋在頻域上承載了不同的信息，相互協(xié)作，共同為系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供保障。

新的混合反饋結(jié)構(gòu)的等效傳遞函數(shù)與傳統(tǒng)電阻分壓器反饋的傳遞函數(shù)有著明顯的區(qū)別。它的傳遞函數(shù)零點(diǎn)比極點(diǎn)更多，這一獨(dú)特的特性使得額外的零點(diǎn)能夠在由 L?和 C?確定的諧振頻率處產(chǎn)生 180° 的相位提前。這樣一來，控制至輸出的傳遞函數(shù)中的附加相位延遲就可以通過反饋傳遞函數(shù)中的附加零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)基于整個(gè)控制至反饋的傳遞函數(shù)的優(yōu)化補(bǔ)償設(shè)計(jì)。這種設(shè)計(jì)不僅能夠在所有負(fù)載條件下提供足夠的穩(wěn)定性裕量，確保系統(tǒng)在各種復(fù)雜工況下都能穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)還能夠保持輸出精度，滿足對電源質(zhì)量要求極高的應(yīng)用場景。

實(shí)際案例分析

為了更直觀地展示這種方法的有效性，我們可以通過一個(gè)實(shí)際的設(shè)計(jì)案例來進(jìn)行分析。以某款采用了帶有次級(jí) LC 濾波器和混合反饋方法的開關(guān)穩(wěn)壓器為例，在高頻范圍內(nèi)，其輸出噪聲性能甚至優(yōu)于傳統(tǒng)的 LDO 穩(wěn)壓器。通過精確的參數(shù)設(shè)計(jì)和優(yōu)化的控制策略，該開關(guān)穩(wěn)壓器在保持高效率的同時(shí)，成功地解決了噪聲過大的問題，為后端的敏感設(shè)備提供了高質(zhì)量的電源。

在這個(gè)案例中，工程師們首先對功率級(jí)小信號(hào)模型進(jìn)行了深入的分析，結(jié)合新的混合反饋方法，精心設(shè)計(jì)了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。通過對反饋參數(shù)限值的嚴(yán)格推導(dǎo)和精確控制，確保了系統(tǒng)在各種工作條件下都能保持穩(wěn)定。同時(shí)，借助次級(jí) LC 濾波器的強(qiáng)大濾波能力，有效地衰減了高頻范圍的輸出噪聲，特別是對于基波下的開關(guān)紋波及其諧波，都能夠進(jìn)行很好的抑制。

從實(shí)際測試結(jié)果來看，該開關(guān)穩(wěn)壓器在不同負(fù)載條件下都能夠保持穩(wěn)定的輸出電壓，輸出紋波和噪聲都被控制在極低的水平。與傳統(tǒng)的電源方案相比，它不僅提高了能源利用效率，減少了能源的浪費(fèi)，還顯著提升了系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性，為設(shè)備的可靠運(yùn)行提供了堅(jiān)實(shí)的保障。

總結(jié)與展望

通過引入混合反饋方法，帶有次級(jí) LC 濾波器的開關(guān)穩(wěn)壓器在電源供應(yīng)方面展現(xiàn)出了卓越的性能。這種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法不僅解決了傳統(tǒng)電源方案中效率與噪聲之間的矛盾，還為電子設(shè)備的小型化、高性能化發(fā)展提供了有力的支持。在未來的電子設(shè)備設(shè)計(jì)中，隨著對電源性能要求的不斷提高，這種高效、穩(wěn)定的電源方案必將得到更加廣泛的應(yīng)用。

同時(shí)，我們也應(yīng)該看到，技術(shù)的發(fā)展是永無止境的。在未來，工程師們還將繼續(xù)探索和研究，不斷優(yōu)化和改進(jìn)這種電源方案，進(jìn)一步提高其性能和可靠性。例如，通過采用更加先進(jìn)的材料和制造工藝，進(jìn)一步降低濾波器的損耗和體積;通過優(yōu)化控制算法，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性等。相信在不久的將來，我們將會(huì)看到更加高效、更加智能的電源解決方案問世，為電子技術(shù)的發(fā)展注入新的活力。