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開關電源紋波的產生、測量和抑制

一、產生分析

1、隨著SWITCH 的開關,電感L 中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動的。所以在輸出端也會出現一個與SWITCH 同頻率的紋波,一般所說的紋波就是指這個。它與輸出電容的容量和ESR 有關係。這個紋波的頻率與開關電源相同,為幾十到幾百KHz。2、另外,SWITCH 一般選用雙極性電晶體或者MOSFET,不管是哪種,在其導通和截止的時候,都會有一個上升時間和下降時間。這時候在電路中就會出現一個與SWITCH 上升下降時間的頻率相同或者奇數倍頻的噪聲,一般為幾十MHz。同樣二極體D 在反向恢復瞬間,其等效電路為電阻電容和電感的串聯,會引起諧振,產生的噪聲頻率也為幾十MHz。這兩種噪聲一般叫做高頻噪聲,幅值通常要比紋波大得多。 3、如果是AC/DC 變換器,除了上述兩種紋波(噪聲)以外,還有AC 噪聲,頻率是輸入AC 電源的頻率,為50~60Hz 左右。還有一種共模噪聲,是由於很多開關電源的功率器件使用外殼作為散熱器,產生的等效電容導致的。

二、使用示波器測量

1、去除示波器控頭上的夾子與地線(因為這個本身的夾子與地線會形成環路,像一個天線接收雜訊,引入一些不必要的雜訊),使用接地環(不使用接地環也可以,不過要考慮其產生的誤差),在探頭上並聯一個10UF電解電容與一個0.1UF瓷片電容,用示波器的探針直接進行測試;如果示波器探頭不是直接接觸輸出點,應該用雙絞線,或者50Ω同軸電纜方式測量。總之儘可能把減小測量回路。

2、使用AC耦合,去除直流成分。

3、開啟20MHz頻寬限制,防止高頻噪聲干擾。

三、開關電源紋波的抑制

1,加大電感和輸出電容濾波

  根據開關電源的公式,電感內電流波動大小和電感值成反比,輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。

  同樣,輸出紋波與輸出電容的關係:vripple=Imax/(Co×f)。可以看出,加大輸出電容值可以減小紋波。

  通常的做法,對於輸出電容,使用鋁電解電容以達到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻噪聲方面效果不是很好,而且ESR 也比較大,所以會在它旁邊並聯一個陶瓷電容,來彌補鋁電解電容的不足。

  同時,開關電源工作時,輸入端的電壓Vin 不變,但是電流是隨開關變化的。這時輸入電源不會很好地提供電流,通常在靠近電流輸入端(以BucK 型為例,是SWITcH 附近),並聯電容來提供電流。

  上面這種做法對減小紋波的作用是有限的。因為體積限制,電感不會做的很大;輸出電容增加到一定程度,對減小紋波就沒有明顯的效果了;增加開關頻率,又會增加開關損失。所以在要求比較嚴格時,這種方法並不是很好。關於開關電源的原理等,可以參考各類開關電源設計手冊。

2,二級濾波,就是再加一級LC 濾波器

  LC 濾波器對噪紋波的抑制作用比較明顯,根據要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構成濾波電路,一般能夠很好的減小紋波。

  取樣點選在LC 濾波器之前(Pa),輸出電壓會降低。因為任何電感都有一個直流電阻,當有電流輸出時,在電感上會有壓降產生,導致電源的輸出電壓降低。而且這個壓降是隨輸出電流變化的。

  取樣點選在LC 濾波器之後(Pb),這樣輸出電壓就是我們所希望得到的電壓。但是這樣在電源系統內部引入了一個電感和一個電容,有可能會導致系統不穩定。關於系統穩定,很多資料有介紹,這裡不詳細寫了。

  3,開關電源輸出之後,接LDO 濾波

  這是減少紋波和噪聲最有效的辦法,輸出電壓恆定,不需要改變原有的反饋系統,但也是成本最高,功耗最高的辦法。任何一款LDO 都有一項指標:噪音抑制比。是一條頻率-dB 曲線,如右圖是凌特公司LT3024 的曲線。

  對減小紋波。開關電源的PCB 佈線也非常關鍵,這是個很赫手的問題。有專門的開關電源PCB 工程師,對於高頻噪聲,由於頻率高幅值較大,後級濾波雖然有一定作用,但效果不明顯。這方面有專門的研究,簡單的做法是在二極體上並電容C 或RC,或串聯電感。

  4,在二極體上並電容C 或RC

  二極體高速導通截止時,要考慮寄生引數。在二極體反向恢復期間,等效電感和等效電容成為一個RC 振盪器,產生高頻振盪。為了抑制這種高頻振盪,需在二極體兩端並聯電容C或RC 緩衝網路。電阻一般取10Ω-100Ω,電容取4.7pF-2.2nF。

  在二極體上並聯的電容C 或者RC,其取值要經過反覆試驗才能確定。如果選用不當,反而會造成更嚴重的振盪。

  對高頻噪聲要求嚴格的話,可以採用軟開關技術。關於軟開關,有很多書專門介紹。

  5,二極體後接電感(EMI 濾波)

  這也是常用的抑制高頻噪聲的方法。針對產生噪聲的頻率,選擇合適的電感元件,同樣能夠有效地抑制噪聲。需要注意的是,電感的額定電流要滿足實際的要求。