【導讀】現代高性能處理器和片上系統(tǒng)（SoC）通常集成精密的模擬前端和串行通信接口，對供電電源的質量提出極高要求。為確保信號完整性和系統(tǒng)性能，負載點電源的輸出電壓紋波常需低于2mV，這僅為常規(guī)開關電源設計的十分之一。
為滿足高端處理器與SoC芯片對電源紋波的嚴苛要求，二級濾波器成為一種高效而緊湊的解決方案，可將輸出電壓紋波抑制到2mV以下。
現代高性能處理器和片上系統(tǒng)（SoC）通常集成精密的模擬前端和串行通信接口，對供電電源的質量提出極高要求。為確保信號完整性和系統(tǒng)性能，負載點電源的輸出電壓紋波常需低于2mV，這僅為常規(guī)開關電源設計的十分之一。
為在保持高效率的前提下滿足這一嚴苛要求，電源設計人員需要在同步降壓轉換器后添加第二級LC濾波器。本文基于TI公司的三款不同控制架構的降壓轉換器，對比分析其在添加相同規(guī)格二級濾波器后的性能表現。
一、紋波挑戰(zhàn)與解決方案
處理器技術快速發(fā)展對電源設計帶來巨大挑戰(zhàn)。當前許多先進SoC芯片要求電源電壓紋波低于1.5mV（峰峰值），而傳統(tǒng)同步降壓轉換器即使采用低ESR陶瓷電容，其輸出紋波通常在5-10mV范圍內。
二級濾波器架構通過在初級LC濾波器后增加第二級電感和電容，形成兩級濾波網絡，可顯著衰減開關頻率噪聲。這種方法的效率遠高于線性穩(wěn)壓器方案，尤其在大電流應用中優(yōu)勢明顯。
測試平臺采用12V輸入、1V輸出、15A負載的典型應用場景，使用三種不同控制架構的降壓轉換器：TPS548A28（D-CAP3架構）、TPS543B22（高級電流模式架構）和TPS56121（電壓模式架構）。
二、二級濾波器設計參數
濾波器設計需要平衡性能與穩(wěn)定性。所有測試均采用相同的二級濾波器元件參數：二級電感L2選用0.47μH，二級電容C2為2×220μF陶瓷電容，占用PCB面積僅為92mm2。
濾波器傳遞函數引入的雙極點需要相應補償控制環(huán)路，不同控制架構需采用不同的補償策略。通過方程式L2 = (Vout×(1-Vout/Vin))/(ΔI×fsw)可計算二級電感值，其中ΔI為 inductor current ripple，fsw為開關頻率。
測試中，三種轉換器的開關頻率均設置在500-600kHz范圍內，以確保比較的公平性。二級濾波器的插入導致效率損失極小，但紋波抑制效果顯著。
三、電壓模式控制架構表現
電壓模式控制采用外部補償機制。TPS56121作為電壓模式控制代表，使用外部3類補償網絡來處理功率級的雙極點特性。
未加二級濾波器時，其輸出紋波為4.8mV峰峰值；添加后紋波降低至1.9mV，降幅達60%。負載瞬態(tài)測試顯示，在10A階躍負載下，輸出電壓恢復穩(wěn)定，無振鈴現象。
電壓模式架構的優(yōu)勢在于可通過調整外部補償元件靈活應對二級濾波器引入的相移，但需要更多的外部元件和更復雜的環(huán)路設計。
四、D-CAP3控制架構性能分析
D-CAP3架構采用恒定導通時間控制。TPS548A28作為此類代表，利用一次性計時器生成與輸入輸出電壓成比例的導通時間脈沖。
未加二級濾波器時，輸出紋波為7.6mV峰峰值；添加后紋波降至2.3mV，降低約70%。負載瞬態(tài)響應測試表明，該架構在添加濾波器后仍保持穩(wěn)定運行。
D-CAP3架構無需額外補償電路，簡化了設計流程。其內部紋波注入電路直接饋入比較器，降低了對輸出電容ESR的要求。
五、高級電流模式架構特性
ACM架構融合多種控制策略優(yōu)勢。TPS543B22采用基于紋波的峰值電流模式控制，使用內部生成斜坡表示電感電流。
未加二級濾波器時，輸出紋波為7.4mV峰峰值；添加后紋波顯著降低至1.3mV，降幅超過82%。該器件提供三個可選的PWM斜坡選項，可優(yōu)化二級濾波器應用時的環(huán)路性能。
值得注意的是，TPS543B22評估板直接預留了二級濾波器元件的焊盤，顯示出TI對此技術的重視。負載瞬態(tài)測試結果顯示出色的穩(wěn)定性。
六、效率與尺寸權衡分析
二級濾波器帶來的效率損失可忽略不計。測試數據顯示，添加濾波器后，三種方案的效率下降均小于0.5%，功率損耗增加約0.02W。
與傳統(tǒng)LDO后級穩(wěn)壓方案相比，二級濾波器在效率和成本上具有明顯優(yōu)勢。為實現8A輸出，并聯兩個4A TPS7A54 LDO需消耗1.4W功率（假設175mV壓降），而二級濾波器僅增加0.02W損耗。
92mm2的額外PCB空間換來了紋波性能的顯著提升，這一權衡對于對噪聲敏感的應用場景是非常有價值的。
結語
三級濾波器技術為高性能處理器供電提供了一種高效解決方案。測試結果表明，三種控制架構均能穩(wěn)定工作于二級濾波器配置，其中高級電流模式架構表現最為出色，將紋波降至1.3mV。
選擇何種架構取決于具體應用需求：電壓模式提供設計靈活性，D-CAP3簡化了設計流程，而ACM則在紋波抑制和瞬態(tài)響應間提供了最佳平衡。二級濾波器以最小效率損失和空間成本，實現了傳統(tǒng)方案難以達到的紋波性能。
三種控制架構的紋波性能對比
推薦閱讀：
國產芯片與系統(tǒng)深度融合！兆易創(chuàng)新聯袂普華軟件破局汽車電子
