我们终极的目的是要把输出纹波降落到可以忍受的程度,达到这个目的最根本的办理方法便是要只管即便避免纹波的产生,首先要清楚开关电源纹波的种类和产生缘故原由。
上图是开关电源中最大略的拓扑构造-buck降压型电源。

随着SWITCH的开关,电感L中的电流也是在输出电流的有效值高下颠簸的。以是在输出端也会涌现一个与SWITCH同频率的纹波,一样平常所说的纹波便是指这个。它与输出电容的容量和ESR有关系。这个纹波的频率与开关电源相同,为几十到几百KHz。

其余,SWITCH一样平常选用双极性晶体管或者MOSFET,不管是哪种,在其导通和截止的时候,都会有一个上升韶光和低落韶光。这时候在电路中就会涌现一个与SWITCH上起落低韶光的频率相同或者奇数倍频的噪声,一样平常为几十MHz。同样二极管D在反向规复瞬间,其等效电路为电阻电容和电感的串联,会引起谐振,产生的噪声
频率也为几十MHz。这两种噪声一样平常叫做高频噪声,幅值常日要比纹波大得多。
如果是AC/DC变换器,除了上述两种纹波(噪声)以外,还有AC噪声,频率是输入AC电源的频率,为50~60Hz旁边。还有一种共模噪声,是由于很多开关电源的功率器件利用外壳作为散热器,产生的等效电容导致的。
开关电源纹波的丈量
基本哀求:
利用示波器AC耦合
20MHz带脱期制
拔掉探头的地线
1,AC耦合是去掉叠加的直流电压,得到准确的波形。
2,打开20MHz带脱期制是防止高频噪声的滋扰,防止测出错误的结果。由于高频身分幅值较大,丈量的时候应撤除。
3,拔掉示波器探头的接地夹,利用接地环丈量,是为了减少滋扰。很多部门没有接地环,如果偏差许可也直接用探头的接地夹丈量。但在判断是否合格时要考虑这个成分。
还有一点是要利用50Ω终端。横河示波器的资料上先容说,50Ω模块是撤除DC身分,精确丈量AC身分。但是很少有示波器配这种专门的探头,大多数情形是利用标配100KΩ到10MΩ的探头丈量,影响暂时不清楚。
上面是丈量开关纹波时基本的把稳事变。如果示波器探头不是直接打仗输出点,该当用双绞线,或者50Ω同轴电缆办法丈量。
在丈量高频噪声时,利用示波器的全通带,一样平常为几百兆到GHz级别。其他与上述相同。可能不同的公司有不同的测试方法。归根到底第一要清楚自己的测试结果。第二要得到客户认可,
关于示波器:
有些数字示波器由于滋扰和存储深度的缘故原由,无法精确的丈量出纹波。这时应改换示波器。这方面有时候虽然老的仿照示波器带宽只有几十兆,但表现要比数字示波器好。
开关电源纹波的抑制
对付开关纹波,理论上和实际上都是一定存在的。 常日抑制或减少它的做法有三种:
1,加大电感和输出电容滤波
根据开关电源的公式,电感内电流颠簸大小和电感值成反比,输出纹波和输出电容值成反比。以是加大电感值和输出电容值可以减小纹波。
上图是开关电源电感L内的电流波形,其纹波电流△I可由下式算出:
可以看出,增加L值,或者提高开关频率可以减小电感内的电流颠簸。
同样,输出纹波与输出电容的关系:vripple=Imax/(Co×f)。 可以看出,加大输出电容值可以减小纹波。
常日的做法,对付输出电容,利用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好,而且ESR也比较大,以是会在它阁下并联一个陶瓷电容,来填补铝电解电容的不敷。
同时,开关电源事情时,输入真个电压Vin不变,但是电流是随开关变革的。这时输入电源不会很好地供应电流,常日在靠近电流输入端(以BucK型为例,是SWITcH附近),并联电容来供应电流。
运用该对策后,BUCK型开关电源如下图所示:
上面这种做法对减小纹波的浸染是有限的。由于体积限定,电感不会做的很大;输出电容增加到一定程度,对减小纹波就没有明显的效果了;增加开关频率,又会增加开关丢失。以是在哀求比较严格时,这种方法并不是很好。
关于开关电源的事理等,可以参考各种开关电源设计手册。
2,二级滤波,便是再加一级LC滤波器
LC滤波器对噪纹波的抑制浸染比较明显,根据要撤除的纹波频率选择得当的电感电容构成滤波电路,一样平常能够很好的减小纹波。
但是,这种情形下须要考虑反馈比较电压的采样点。(如下图所示)
采样点选在LC滤波器之前(Pa),输出电压会降落。由于任何电感都有一个直流电阻,当有电流输出时,在电感上会有压降产生,导致电源的输出电压降落。而且这个压降是随输出电流变革的。
采样点选在LC滤波器之后(Pb),这样输出电压便是我们所希望得到的电压。但是这样在电源系统内部引入了一个电感和一个电容,有可能会导致系统不稳定。关于系统稳定,很多资料有先容,这里不详细写了。
3,开关电源输出之后,接LDO滤波
这是减少纹波和噪声最有效的办法,输出电压恒定,不须要改变原有的反馈系统,但也是本钱最高,功耗最高的办法。
任何一款LDO都有一项指标:噪音抑制比。是一条频率-dB曲线,如右图是凌特公司LT3024的曲线。
经由LDO之后,开关纹波一样平常在10mV以下。
下图是LDO前后的纹波比拟:
比拟曲线上图的曲线和左图的波形,可以看出对几百KHz的开关纹波,LDO的抑制效果非常好。但在高频范围内,该LDO的效果就不那么空想了。
对减小纹波。开关电源的PCB布线也非常关键,这是个很赫手的问题。有专门的开关电源PCB 工程师,大略的可以参考美国国半公司的AN1229:SIMPLE SWITCHER PCB Layout Guidelines, (网上有翻译的中文择要)
对付高频噪声,由于频率高幅值较大,后级滤波虽然有一定浸染,但效果不明显。这方面有专门的研究,大略的做法是在二极管上并电容C或RC,或串联电感。
4,在二极管上并电容C或RC
上图是实际用二极管的等效电路。二极管高速导通截止时,要考虑寄生参数。在二极管反向规复期间,等效电感和等效电容成为一个RC振荡器,产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡,需在二极管两端并联电容C或RC缓冲网络。电阻一样平常取10Ω-100 Ω,电容取4.7pF-2.2nF。
在二极管上并联的电容C或者RC,其取值要经由反复试验才能确定。如果选用不当,反而会造成更严重的振荡。
对高频噪声哀求严格的话,可以采取软开关技能。关于软开关,有很多书专门先容。
5,二极管后接电感(EMI滤波)
这也是常用的抑制高频噪声的方法。针对产生噪声的频率,选择得当的电感元件,同样能够有效地抑制噪声。须要把稳的是,电感的额定电流要知足实际的哀求。比较大略的做法,不再详细阐明。
小结
以上是关于开关电源纹波,总结的一些内容,如果能加些波形就更好了。虽然可能不太全,但对一样平常的运用已经足够了。关于噪声抑制,实际中并不一定全部运用,主要的是根据自己的设计哀求,比如产品体积,本钱,开拓周期等,选择得当的方法。








