电源的高效性与稳定性始终是工程师们关注的核心要点

在当今的电子设备设计领域，电源的高效性与稳定性始终是工程师们关注的核心要点。对于众多对噪声极为敏感的设备而言，找到一款既能提供高效动力支持，又能确保低噪声稳定运行的电源，无疑是整个设计过程中的关键环节。在这一探索过程中，带有次级 LC 滤波器的开关稳压器逐渐崭露头角，展现出独特的优势与潜力。然而，如何进一步挖掘其潜力，使其在电源供应方面发挥出更为卓越的效能，成为了当下亟待解决的重要课题。

传统电源方案的困境

在以往的设计中，线性稳压器(LDO)常常被用于为那些对噪声敏感的设备供电。LDO 稳压器凭借其出色的低频噪声抑制能力，能够有效地过滤掉系统电源中常见的低频干扰信号，从而为诸如 ADC(模拟数字转换器)、PLL(锁相环)或 RF(射频)收发器等设备提供极为干净、稳定的电源。这使得这些对电源质量要求极高的设备能够在相对纯净的电源环境下稳定运行，保证了其性能的正常发挥。

然而，LDO 稳压器并非完美无缺，其在效率方面存在着显著的短板。特别是当 LDO 稳压器需要将高于输出电压数伏的电源轨进行降压处理时，这种效率低下的问题就显得尤为突出。在这种情况下，LDO 稳压器的效率通常只能维持在 30% 至 50% 的区间范围内，这意味着大量的电能在转换过程中被白白浪费，不仅造成了能源的损耗，还可能导致设备产生过多的热量，影响设备的稳定性和使用寿命。

相比之下，开关稳压器在效率方面则展现出了明显的优势。在理想的工作状态下，开关稳压器能够实现高达 90% 甚至更高的效率，这使得它在能源利用方面具有极大的吸引力。然而，开关稳压器也并非十全十美，其最大的问题在于产生的噪声过大。由于开关稳压器的工作原理是通过快速的开关动作来实现电压的转换，这种高频的开关操作不可避免地会产生各种噪声，其中输出纹波是最为突出的噪声源之一。这些噪声如果直接作用于 ADC 或 PLL 等对噪声极为敏感的设备，将会对其性能产生严重的负面影响，导致设备的信噪比(SNR)降低，无杂散动态范围(SFDR)变窄，从而使设备无法正常工作。

次级 LC 滤波器的引入

为了在保持高效率的同时，有效解决开关稳压器噪声过大的问题，工程师们通常会在开关稳压器的输出端增加一个次级 LC 滤波器(由 L₂和 C₂组成)。这个看似简单的滤波器，却能够发挥出至关重要的作用。它能够有效地减少开关稳压器输出的纹波，抑制高频噪声的传播，从而为后端的敏感设备提供一个相对较为干净、稳定的电源环境。

从理论上来说，LC 滤波器利用电感和电容的特性，对不同频率的信号进行选择性的过滤。电感对于高频信号具有较高的阻抗，能够阻碍高频噪声的通过;而电容则对低频信号具有较低的阻抗，能够将低频杂波引导到地，从而实现对电源信号的净化。通过合理选择 L₂和 C₂的参数，可以使滤波器在特定的频率范围内发挥最佳的滤波效果，最大限度地减少开关稳压器输出信号中的纹波和噪声。

然而，事物总是具有两面性。虽然次级 LC 滤波器在降低噪声方面具有显著的效果，但它也带来了一些新的问题。由于 LC 滤波器的引入，整个功率级传输函数的建模变得更加复杂。在理想情况下，功率级传输函数可以被建模为一个四阶系统，而这个四阶系统本身就具有一定的不稳定性。如果再考虑到电流环路中的采样数据效应，那么完整的控制至输出的传递函数将进一步提升为五阶系统，这无疑大大增加了系统设计和调试的难度。在实际应用中，当负载电流较大时，由于次级 LC 滤波器上会产生较大的压降，这可能会导致输出电压调节性能变差，从而影响设备的正常工作。

提升效率的关键一招 —— 优化反馈控制

针对上述问题，一种创新的混合反馈方法应运而生，这成为了让带有次级 LC 滤波器的开关稳压器更加高效的关键所在。这种混合反馈方法巧妙地结合了远程电压反馈和本地电压反馈两种方式，充分发挥它们在不同频率范围内的优势，从而实现了系统性能的全面提升。

远程电压反馈通过电阻分压器从输出端获取信号，主要用于检测低频信号，其目的在于提供良好的直流输出调节，确保输出电压在长时间内保持稳定。而本地电压反馈则是通过电容器 CF 从初级 LC 滤波器获取信号，它主要用于检测高频信号，为系统提供良好的交流稳定性，有效抑制高频噪声和纹波的干扰。通过这种巧妙的设计，远程反馈和本地反馈在频域上承载了不同的信息，相互协作，共同为系统的稳定运行提供保障。

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着明显的区别。它的传递函数零点比极点更多，这一独特的特性使得额外的零点能够在由 L₂和 C₂确定的谐振频率处产生 180° 的相位提前。这样一来，控制至输出的传递函数中的附加相位延迟就可以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的传递函数的优化补偿设计。这种设计不仅能够在所有负载条件下提供足够的稳定性裕量，确保系统在各种复杂工况下都能稳定运行，同时还能够保持输出精度，满足对电源质量要求极高的应用场景。

实际案例分析

为了更直观地展示这种方法的有效性，我们可以通过一个实际的设计案例来进行分析。以某款采用了带有次级 LC 滤波器和混合反馈方法的开关稳压器为例，在高频范围内，其输出噪声性能甚至优于传统的 LDO 稳压器。通过精确的参数设计和优化的控制策略，该开关稳压器在保持高效率的同时，成功地解决了噪声过大的问题，为后端的敏感设备提供了高质量的电源。

在这个案例中，工程师们首先对功率级小信号模型进行了深入的分析，结合新的混合反馈方法，精心设计了补偿网络。通过对反馈参数限值的严格推导和精确控制，确保了系统在各种工作条件下都能保持稳定。同时，借助次级 LC 滤波器的强大滤波能力，有效地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，都能够进行很好的抑制。

从实际测试结果来看，该开关稳压器在不同负载条件下都能够保持稳定的输出电压，输出纹波和噪声都被控制在极低的水平。与传统的电源方案相比，它不仅提高了能源利用效率，减少了能源的浪费，还显著提升了系统的性能和稳定性，为设备的可靠运行提供了坚实的保障。

总结与展望

通过引入混合反馈方法，带有次级 LC 滤波器的开关稳压器在电源供应方面展现出了卓越的性能。这种创新的设计方法不仅解决了传统电源方案中效率与噪声之间的矛盾，还为电子设备的小型化、高性能化发展提供了有力的支持。在未来的电子设备设计中，随着对电源性能要求的不断提高，这种高效、稳定的电源方案必将得到更加广泛的应用。

同时，我们也应该看到，技术的发展是永无止境的。在未来，工程师们还将继续探索和研究，不断优化和改进这种电源方案，进一步提高其性能和可靠性。例如，通过采用更加先进的材料和制造工艺，进一步降低滤波器的损耗和体积;通过优化控制算法，提高系统的响应速度和稳定性等。相信在不久的将来，我们将会看到更加高效、更加智能的电源解决方案问世，为电子技术的发展注入新的活力。