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開關電源波紋的產生、測量及抑制

技術中心

Technology

開關電源波紋的產生、測量及抑制

分類:
電源技術
作者:
廣州市愛浦電子科技有限公司
來源:
原創
發布時間:
2021/04/29
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開關電源紋波的產生

       我們最終的目的是要把輸出紋波降低到可以忍受的程度,達到這個目的最根本的解決方法就是要盡量避免紋波的產生,首先要清楚開關電源紋波的種類和產生原因。


上圖是開關電源中最簡單的拓撲結構-buck降壓型電源。

       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有關系。這個紋波的頻率與開關電源相同,為幾十到幾百KHz。

       另外,SWITCH一般選用雙極性晶體管或者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。同樣二極管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。


       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,是由于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。

開關電源紋波的測量

基本要求:
使用示波器AC耦合
20MHz帶寬限制
拔掉探頭的地線

       1,AC耦合是去掉疊加的直流電壓,得到準確的波形。

       2,打開20MHz帶寬限制是防止高頻噪聲的干擾,防止測出錯誤的結果。因為高頻成分幅值較大,測量的時候應除去。

       3,拔掉示波器探頭的接地夾,使用接地環測量,是為了減少干擾。很多部門沒有接地環,如果誤差允許也直接用探頭的接地夾測量。但在判斷是否合格時要考慮這個因素。

       還有一點是要使用50?終端。橫河示波器的資料上介紹說,50?模塊是除去DC成分,精確測量AC成分。但是很少有示波器配這種專門的探頭,大多數情況是使用標配100K?到10M?的探頭測量,影響暫時不清楚。

       上面是測量開關紋波時基本的注意事項。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點,應該用雙絞線,或者50?同軸電纜方式測量。

       在測量高頻噪聲時,使用示波器的全通帶,一般為幾百兆到GHz級別。其他與上述相同。可能不同的公司有不同的測試方法。歸根到底第一要清楚自己的測試結果。第二要得到客戶認可,

關于示波器:

       有些數字示波器因為干擾和存儲深度的原因,無法正確的測量出紋波。這時應更換示波器。這方面有時候雖然老的模擬示波器帶寬只有幾十兆,但表現要比數字示波器好。

開關電源紋波的抑制

       對于開關紋波,理論上和實際上都是一定存在的。 通常抑制或減少它的做法有三種:

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。


上圖是開關電源電感L內的電流波形,其紋波電流△I可由下式算出:


       可以看出,增加L值,或者提高開關頻率可以減小電感內的電流波動。

       同樣,輸出紋波與輸出電容的關系: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,對于輸出電容,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,所以會在它旁邊并聯一個陶瓷電容,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),并聯電容來提供電流。

       應用該對策后,BUCK型開關電源如下圖所示:


       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,這種方法并不是很好。

       關于開關電源的原理等,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。

       但是,這種情況下需要考慮反饋比較電壓的采樣點。(如下圖所示)


       采樣點選在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。

       采樣點選在LC濾波器之后(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。關于系統穩定,很多資料有介紹,這里不詳細寫了。

3,開關電源輸出之后,接LDO濾波

       這是減少紋波和噪聲最有效的辦法,輸出電壓恒定,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。


       經過LDO之后,開關紋波一般在10mV以下。

下圖是LDO前后的紋波對比:


       對比曲線上圖的曲線和左圖的波形,可以看出對幾百KHz的開關紋波,LDO的抑制效果非常好。但在高頻范圍內,該LDO的效果就不那么理想了。

       對減小紋波。開關電源的PCB布線也非常關鍵,這是個很赫手的問題。有專門的開關電源PCB 工程師,簡單的可以參考美國國半公司的AN1229:SIMPLE SWITCHER PCB Layout Guidelines, (網上有翻譯的中文摘要)

       對于高頻噪聲,由于頻率高幅值較大,后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管上并電容C或RC,或串聯電感。

4,在二極管上并電容C或RC


       上圖是實際用二極管的等效電路。二極管高速導通截止時,要考慮寄生參數。在二極管反向恢復期間,等效電感和等效電容成為一個RC振蕩器,產生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩,需在二極管兩端并聯電容C或RC緩沖網絡。電阻一般取10Ω-100  Ω,電容取4.7pF-2.2nF。

       在二極管上并聯的電容C或者RC,其取值要經過反復試驗才能確定。如果選用不當,反而會造成更嚴重的振蕩。

       對高頻噪聲要求嚴格的話,可以采用軟開關技術。關于軟開關,有很多書專門介紹。

5,二極管后接電感(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。比較簡單的做法,不再詳細解釋。

小結

       以上是關于開關電源紋波,總結的一些內容,如果能加些波形就更好了。雖然可能不太全,但對一般的應用已經足夠了。關于噪聲抑制,實際中并不一定全部應用,重要的是根據自己的設計要求,比如產品體積,成本,開發周期等,選擇合適的方法。

       愛浦電子-模塊電源制作專家提醒您,本文章來自網絡,我們對文中觀點保存中立,對所包含內容的準確性、可靠性不提供任何明示或者暗示的保證,并不對文章的觀點負責。版權屬于原作者。

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