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如何抑制開關(guān)電源紋波的產(chǎn)生

發(fā)布時(shí)間:2010-11-24

中心議題:
  • 開關(guān)電源紋波的產(chǎn)生原因
  • 開關(guān)電源紋波的測量方法
  • 開關(guān)電源紋波的抑制手段
解決方案:
  • 加大電感和輸出電容濾波
  • 多加一級LC濾波器
  • 開關(guān)電源輸出之后,接LDO濾波
  • 在二極管上并電容C或RC
  • 二極管后接電感

開關(guān)電源紋波的產(chǎn)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(dá)到這個(gè)目的最根本的解決方法就是要盡量避免紋波的產(chǎn)生,首先要清楚開關(guān)電源紋波的種類和產(chǎn)生原因。

隨著SWITCH的開關(guān),電感L中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動(dòng)的。所以在輸出端也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與SWITCH同頻率的紋波,一般所說的紋波就是指這個(gè)。它與輸出電容的容量和ESR有關(guān)系。這個(gè)紋波的頻率與開關(guān)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M(jìn)OSFET,不管是哪種,在其導(dǎo)通和截止的時(shí)候,都會(huì)有一個(gè)上升時(shí)間和下降時(shí)間。這時(shí)候在電路中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與SWITCH上升下降時(shí)間的頻率相同或者奇數(shù)倍頻的噪聲,一般為幾十MHz。同樣二極管D在反向恢復(fù)瞬間,其等效電路為電阻電容和電感的串聯(lián),會(huì)引起諧振,產(chǎn)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(guān)電源的功率器件使用外殼作為散熱器,產(chǎn)生的等效電容導(dǎo)致的。因?yàn)楸救耸亲銎囯娮友邪l(fā)的,對于后兩種噪聲接觸較少,所以暫不考慮。

開關(guān)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(zhǔn)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(cuò)誤的結(jié)果。因?yàn)楦哳l成分幅值較大,測量的時(shí)候應(yīng)除去。
3,拔掉示波器探頭的接地夾,使用接地環(huán)測量,是為了減少干擾。很多部門沒有接地環(huán),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(shí)要考慮這個(gè)因素。

還有一點(diǎn)是要使用50Ω終端。橫河示波器的資料上介紹說,50Ω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(shù)情況是使用標(biāo)配100KΩ到10MΩ的探頭測量,影響暫時(shí)不清楚。

上面是測量開關(guān)紋波時(shí)基本的注意事項(xiàng)。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點(diǎn),應(yīng)該用雙絞線,或者50Ω同軸電纜方式測量。

在測量高頻噪聲時(shí),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??赡懿煌墓居胁煌臏y試方法。歸根到底第一要清楚自己的測試結(jié)果。第二要得到客戶認(rèn)可。
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關(guān)于示波器:
有些數(shù)字示波器因?yàn)楦蓴_和存儲(chǔ)深度的原因,無法正確的測量出紋波。這時(shí)應(yīng)更換示波器。這方面有時(shí)候雖然老的模擬示波器帶寬只有幾十兆,但表現(xiàn)要比數(shù)字示波器好。

泰克公司有專門分開測量上述兩種紋波(噪聲)的軟件,可以看一下參考資料5。同樣,關(guān)于示波器的接地,電源測試的相關(guān)知識(shí),也可以看一下。

開關(guān)電源紋波的抑制
對于開關(guān)紋波,理論上和實(shí)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(jù)開關(guān)電源的公式,電感內(nèi)電流波動(dòng)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(guān)系:vripple=Imax/(Co×f)??梢钥闯?,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(dá)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(huì)在它旁邊并聯(lián)一個(gè)陶瓷電容,來彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。

同時(shí),開關(guān)電源工作時(shí),輸入端的電壓Vin不變,但是電流是隨開關(guān)變化的。這時(shí)輸入電源不會(huì)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(lián)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?yàn)轶w積限制,電感不會(huì)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(guān)頻率,又會(huì)增加開關(guān)損失。所以在要求比較嚴(yán)格時(shí),這種方法并不是很好。關(guān)于開關(guān)電源的原理等,可以參考各類開關(guān)電源設(shè)計(jì)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(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構(gòu)成濾波電路,一般能夠很好的減小紋波。

采樣點(diǎn)選在LC濾波器之前(Pa),輸出電壓會(huì)降低。因?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋€(gè)直流電阻,當(dāng)有電流輸出時(shí),在電感上會(huì)有壓降產(chǎn)生,導(dǎo)致電源的輸出電壓降低。而且這個(gè)壓降是隨輸出電流變化的。

采樣點(diǎn)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(tǒng)內(nèi)部引入了一個(gè)電感和一個(gè)電容,有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定,很多資料有介紹,這里不詳細(xì)寫了。

3,開關(guān)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(tǒng),但也是成本最高,功耗最高的辦法。任何一款LDO都有一項(xiàng)指標(biāo):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(guān)電源的PCB布線也非常關(guān)鍵,這是個(gè)很赫手的問題。有專門的開關(guān)電源PCB工程師,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(lián)電感。

4,在二極管上并電容C或RC
二極管高速導(dǎo)通截止時(shí),要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復(fù)期間,等效電感和等效電容成為一個(gè)RC振蕩器,產(chǎn)生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩,需在二極管兩端并聯(lián)電容C或RC緩沖網(wǎng)絡(luò)。電阻一般取10Ω-100Ω,電容取4.7pF-2.2nF。
在二極管上并聯(lián)的電容C或者RC,其取值要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)才能確定。如果選用不當(dāng),反而會(huì)造成更嚴(yán)重的振蕩。

對高頻噪聲要求嚴(yán)格的話,可以采用軟開關(guān)技術(shù)。關(guān)于軟開關(guān),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(chǎn)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(shí)際的要求。比較簡單的做法,不再詳細(xì)解釋。

以上是關(guān)于開關(guān)電源紋波,總結(jié)的一些內(nèi)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(yīng)用已經(jīng)足夠了。關(guān)于噪聲抑制,實(shí)際中并不一定全部應(yīng)用,重要的是根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求,比如產(chǎn)品體積,成本,開發(fā)周期等,選擇合適的方法。
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