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解析開關電源紋波的産生、測量及抑制說明_技術文章

解析開關電源紋波的産生、測量及抑制說明

作者:网絡 来源:网絡 日期:2018-12-3 11:45:55 人氣:380


本文主要講了有關電源紋波的産生、測量以及抑制說明等内容,下面来学习学习吧。

開關電源紋波的産生

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

随着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动的。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这個。它與輸出電容的容量和ESR有關系。这個紋波的頻率與開關電源相同,为幾十到幾百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。这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,一般为幾十MHz。同樣二極管D在反向恢複瞬間,其等效電路为電阻電容和電感的串聯,會引起諧振,産生的噪聲頻率也为幾十MHz。这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,为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为散熱器,産生的等效電容導致的。因为本人是做汽車電子研發的,對于後兩種噪聲接觸較少,所以暫不考慮。

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,得到準确的波形。

2,打開20MHz帶寬限制是防止高頻噪聲的幹擾,防止測出錯誤的結果。因为高頻成分幅值較大,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,是为了減少幹擾。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这個因素。

還有一點是要使用50Ω終端。橫河示波器的资料上介紹說,50Ω模塊是除去DC成分,精确測量AC成分。但是很少有示波器配这種专門的探頭,大多數情況是使用标配100KΩ到10MΩ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50Ω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,一般为幾百兆到GHz級别。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:

有些數字示波器因为幹擾和存儲深度的原因,無法正确的測量出紋波。这時應更換示波器。这方面有時候雖然老的模拟示波器帶寬隻有幾十兆,但表現要比數字示波器好。

泰克公司有专門分開測量上述兩種紋波(噪聲)的軟件,可以看一下參考资料5。同樣,關于示波器的接地,電源測試的相關知识,也可以看一下。

 

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,電感内電流波动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,使用鋁電解電容以达到大容量的目的。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,来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,但是電流是随開關變化的。这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型为例,是SWITcH附近),并聯電容来提供電流。

上面这種做法對減小紋波的作用是有限的。因为體積限制,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,这種方法并不是很好。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适的電感電容構成濾波電路,一般能夠很好的減小紋波。

采樣點選在LC濾波器之前(Pa),輸出電壓會降低。因为任何電感都有一個直流電阻,當有電流輸出時,在電感上會有壓降産生,導致電源的輸出電壓降低。而且这個壓降是随輸出電流變化的。

采樣點選在LC濾波器之後(Pb),这樣輸出電壓就是我們所希望得到的電壓。但是这樣在電源系統内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,很多资料有介紹,这里不詳細寫了。

3,開關電源輸出之後,接LDO濾波

这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都有一項指标:噪音抑制比。是一條頻率-dB曲線,如右圖是淩特公司LT3024的曲線。

對減小紋波。開關電源的PCB布線也非常關鍵,这是個很赫手的問題。有专門的開關電源PCB 工程師,對于高頻噪聲,由于頻率高幅值較大,後級濾波雖然有一定作用,但效果不明顯。这方面有专門的研究,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

二極管高速導通截止時,要考慮寄生參數。在二極管反向恢複期間,等效電感和等效電容成为一個RC振蕩器,産生高頻振蕩。为了抑制这種高頻振蕩,需在二極管兩端并聯電容C或RC緩沖网絡。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,其取值要经過反複試验才能确定。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,有很多書专門介紹。

5,二極管後接電感(EMI濾波)

这也是常用的抑制高頻噪聲的方法。針對産生噪聲的頻率,選擇合适的電感元件,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。

總結

以上是關于開關電源紋波,總結的一些内容,如果能加些波形就更好了。雖然可能不太全,但對一般的應用已经足夠了。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,比如産品體積,成本,開發周期等,選擇合适的方法。


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