一招让带有次级 LC 滤波器的开关稳压器做电源更高效

在电子设备的电源供应领域，如何实现高效且稳定的供电一直是工程师们不懈追求的目标。开关稳压器因其较高的效率在众多应用中得到广泛使用，然而，其固有的噪声问题却常常成为限制其进一步应用的瓶颈。尤其是在为对噪声极为敏感的设备，如 ADC、PLL 或 RF 收发器等供电时，开关稳压器的噪声可能会显著降低这些设备的性能。为了解决这一问题，在开关稳压器的输出端增加次级 LC 滤波器成为一种常见的做法，它能够有效减少纹波和抑制噪声。但是，传统的设计方式中，二级 LC 输出滤波器也带来了新的挑战，如功率级传输函数建模为不稳定的四阶系统，若考虑电流环路的采样数据效应，完整的控制至输出传递函数甚至会变为五阶系统，这使得系统稳定性难以保证。那么，是否存在一种方法，能让带有次级 LC 滤波器的开关稳压器在保证高效的同时，实现稳定且低噪声的电源供应呢?答案是肯定的，有一种创新的混合反馈方法可以达成这一目标。

传统上，LDO 稳压器常被用于为噪声敏感设备供电，它能有效抑制系统电源中的低频噪声，为相关设备提供干净的电源。然而，LDO 稳压器的效率通常较低，特别是当它需要将高于输出电压几伏的电源轨降压时，效率往往只能达到 30% - 50%。与之相比，开关稳压器的效率优势明显，可实现 90% 甚至更高的效率。不过，开关稳压器的噪声问题较为突出，其输出纹波作为主要噪声源之一，可能在 ADC 的输出频谱中表现为明显的信号音或杂散，严重影响信噪比(SNR)和无杂散动态范围(SFDR)。因此，在不显著降低设备性能的前提下，最大限度地减少开关稳压器的输出纹波和噪声至关重要。

为了兼顾高效率和高系统性能，在开关稳压器输出端增加次级 LC 滤波器(L2 和 C2)是一种有效的手段。但理想情况下，功率级传输函数建模为四阶系统，本身就容易不稳定。当考虑电流环路的采样数据效应时，控制至输出的传递函数变为五阶，系统稳定性进一步恶化。虽然检测初级 LC 滤波器(L1 和 C1)点的输出电压来稳定系统是一种替代方案，但在负载电流较大时，由于次级 LC 滤波器上的压降过大，会导致输出电压调节性能变差，这在许多应用场景中是无法接受的。

新提出的混合反馈方法为这一难题提供了完美的解决方案。这种方法通过利用来自初级 LC 滤波器的附加电容反馈来稳定控制环路。具体来说，从输出端经过电阻分压器的外部电压反馈定义为远程电压反馈，而经过电容器 CF 的内部电压反馈定义为本地电压反馈。远程反馈和本地反馈在频域上承载不同信息，远程反馈负责检测低频信号，以实现良好的直流输出调节;本地反馈则检测高频信号，为系统提供良好的交流稳定性。新的混合反馈结构的等效传递函数与传统电阻分压器反馈的传递函数有明显区别，其传递函数零点比极点更多，额外的零点将在由 L2 和 C2 确定的谐振频率处产生 180° 的相位提前。这样一来，控制至输出传递函数中的附加相位延迟就能够通过反馈传递函数中的附加零点进行补偿，从而实现基于整个控制至反馈传递函数的补偿设计。

以 ADP5014 为例，基于功率级小信号模型和新的混合反馈方法设计补偿网络后，借助次级 LC 滤波器，其在高频范围内的输出噪声性能甚至优于 LDO 稳压器。与不带次级 LC 滤波器的传统电流模式降压转换器相比，新的电流环路增益增加了一对复数共轭极点和一对复数共轭零点，且它们彼此位置接近。通过增加外部斜率补偿，增益和相位曲线形状不变，但增益幅度减小，相位裕量增加，使得系统稳定性显著提高。

在实际设计中，反馈传递函数中的参数 α 是一个关键因素。当 α 减小至 10 -6 时(例如：R A = 10k，C F = 1 nF)，反馈网络的传递函数将表现为 180° 的相位延迟，复数零点成为 RHP 零点。要将零点保持在 LHP 中，参数 α 应始终满足特定条件。只要满足这一条件，控制系统就易于保持稳定。但由于 R A 和 C F 在负载瞬态跳变期间会作为输出电压变化的 RC 滤波器工作，过大的 α 值会降低负载瞬态性能。因此，在实际设计中，建议参数 α 比最小限值大 20% - 30% 左右。

控制至反馈的传递函数 GP (s) 可以通过控制至输出的传递函数 Gvc (s) 和反馈传递函数 G FB (s) 的乘积导出。由于带宽受 f z1 限制，建议选择小于 f z1 的 f c，这样能确保闭环稳定并具有足够的相位裕量。ADP5014 通过对许多模拟模块进行优化，在低频范围内实现了更低的输出噪声。当 V OUT 设置为小于 V REF 电压时，单位增益电压基准结构可使输出噪声与输出电压设置无关。并且，设计中增加的次级 LC 滤波器有效衰减了高频范围的输出噪声，特别是对于基波下的开关纹波及其谐波。从 10Hz 至 10MHz 频率范围内的噪声谱密度测量结果以及 10Hz 至 1MHz 频率范围内的积分有效值噪声对比可以看出，ADP5014 在高频范围内的输出噪声性能优于传统的 2A 低噪声 LDO 稳压器 ADP1740。

这种新的混合反馈方法不仅为带有次级 LC 滤波器的开关稳压器的建模和控制提供了通用的分析框架，还通过精确的控制到输出传递函数，实现了在所有负载条件下提供足够的稳定性裕量并保持输出精度，为 ADC、PLL 或 RF 收发器等设备提供了高效率、高性能的电源解决方案。其性能堪与 LDO 稳压器相媲美，甚至在某些方面更胜一筹。虽然本文主要关注电流模式降压转换器，但这种方法同样适用于电压模式降压转换器，具有广泛的应用前景。

在实际应用中，工程师们可以根据具体的电路需求和参数要求，灵活运用这种混合反馈方法，优化带有次级 LC 滤波器的开关稳压器设计，从而实现更高效、稳定且低噪声的电源供应，为电子设备的高性能运行提供坚实保障。