開關電源紋波的產生

 

我(wo)們(men)最(zui)終(zhong)的(de)目(mu)的(de)是(shi)要(yao)把(ba)輸(shu)出(chu)紋(wen)波(bo)降(jiang)低(di)到(dao)可(ke)以(yi)忍(ren)受(shou)的(de)程(cheng)度(du)，達(da)到(dao)這(zhe)個(ge)目(mu)的(de)最(zui)根(gen)本(ben)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)法(fa)就(jiu)是(shi)要(yao)盡(jin)量(liang)避(bi)免(mian)紋(wen)波(bo)的(de)產(chan)生(sheng)，首(shou)先(xian)要(yao)清(qing)楚(chu)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)紋(wen)波(bo)的(de)種(zhong)類(lei)和(he)產(chan)生(sheng)原(yuan)因(yin)。

 

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。

 

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在反向恢複瞬間，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(zuo)右(you)。還(hai)有(you)一(yi)種(zhong)共(gong)模(mo)噪(zao)聲(sheng)，是(shi)由(you)於(yu)很(hen)多(duo)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)使(shi)用(yong)外(wai)殼(ke)作(zuo)為(wei)散(san)熱(re)器(qi)
，產(chan)生(sheng)的(de)等(deng)效(xiao)電(dian)容(rong)導(dao)致(zhi)的(de)。因(yin)為(wei)本(ben)人(ren)是(shi)做(zuo)汽(qi)車(che)電(dian)子(zi)研(yan)發(fa)的(de)，對(dui)於(yu)後(hou)兩(liang)種(zhong)噪(zao)聲(sheng)接(jie)觸(chu)較(jiao)少(shao)，所(suo)以(yi)暫(zan)不(bu)考(kao)慮(lv)。

 

開關電源紋波的測量

 

基本要求：使用示波器AC耦合 ，20MHz帶寬限製 
，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帶寬限製是防止高頻噪聲的幹擾
，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
，badiaoshiboqitantoudejiedijia，shiyongjiedihuanceliang
，shiweilejianshaoganrao。henduobumenmeiyoujiedihuan，ruguowuchayunxuyezhijieyongtantoudejiedijiaceliang。danzaipanduanshifouhegeshiyaokaolvzhegeyinsu。

 

還有一點是要使用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，大多數情況是使用標配100KΩ到10MΩ的探頭測量，影響暫時不清楚。

 

上麵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。

 

關於示波器：

 

有you些xie數shu字zi示shi波bo器qi因yin為wei幹gan擾rao和he存cun儲chu深shen度du的de原yuan因yin，無wu法fa正zheng確que的de測ce量liang出chu紋wen波bo。這zhe時shi應ying更geng換huan示shi波bo器qi。這zhe方fang麵mian有you時shi候hou雖sui然ran老lao的de模mo擬ni示shi波bo器qi帶dai寬kuan隻zhi有you幾ji十shi兆zhao
，但dan表biao現xian要yao比bi數shu字zi示shi波bo器qi好hao。

 

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，關於示波器的接地，電源測試的相關知識，也可以看一下。

 

開關電源紋波的抑製

 

對於開關紋波，理論上和實際上都是一定存在的。通常抑製或減少它的做法有五種：

 

1 加大電感和輸出電容濾波

 

根(gen)據(ju)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)公(gong)式(shi)，電(dian)感(gan)內(nei)電(dian)流(liu)波(bo)動(dong)大(da)小(xiao)和(he)電(dian)感(gan)值(zhi)成(cheng)反(fan)比(bi)
，輸(shu)出(chu)紋(wen)波(bo)和(he)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)值(zhi)成(cheng)反(fan)比(bi)。所(suo)以(yi)加(jia)大(da)電(dian)感(gan)值(zhi)和(he)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)值(zhi)可(ke)以(yi)減(jian)小(xiao)紋(wen)波(bo)。

 

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。但是電解電容在抑製高頻噪聲方麵效果不是很好
，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。

 

上麵這種做法對減小紋波的作用是有限的。因為體積限製，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；zengjiakaiguanpinlv
，youhuizengjiakaiguansunshi。suoyizaiyaoqiubijiaoyangeshi，zhezhongfangfabingbushihenhao。guanyukaiguandianyuandeyuanlideng，keyicankaogeleikaiguandianyuanshejishouce。

 

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製作用比較明顯，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。

 

采樣點選在LC濾波器之前(Pa)，輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)會(hui)降(jiang)低(di)。因(yin)為(wei)任(ren)何(he)電(dian)感(gan)都(dou)有(you)一(yi)個(ge)直(zhi)流(liu)電(dian)阻(zu)，當(dang)有(you)電(dian)流(liu)輸(shu)出(chu)時(shi)
，在(zai)電(dian)感(gan)上(shang)會(hui)有(you)壓(ya)降(jiang)產(chan)生(sheng)，導(dao)致(zhi)電(dian)源(yuan)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)降(jiang)低(di)。而(er)且(qie)這(zhe)個(ge)壓(ya)降(jiang)是(shi)隨(sui)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)變(bian)化(hua)的(de)。

 

采樣點選在LC濾波器之後(Pb)，這(zhe)樣(yang)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)就(jiu)是(shi)我(wo)們(men)所(suo)希(xi)望(wang)得(de)到(dao)的(de)電(dian)壓(ya)。但(dan)是(shi)這(zhe)樣(yang)在(zai)電(dian)源(yuan)係(xi)統(tong)內(nei)部(bu)引(yin)入(ru)了(le)一(yi)個(ge)電(dian)感(gan)和(he)一(yi)個(ge)電(dian)容(rong)，有(you)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)係(xi)統(tong)不(bu)穩(wen)定(ding)。關(guan)於(yu)係(xi)統(tong)穩(wen)定(ding)，很(hen)多(duo)資(zi)料(liao)有(you)介(jie)紹(shao)，這(zhe)裏(li)不(bu)詳(xiang)細(xi)寫(xie)了(le)。

 

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
，輸出電壓恒定
，不需要改變原有的反饋係統
，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：噪音抑製比。是一條頻率-dB曲線。

 

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(gong)程(cheng)師(shi)，對(dui)於(yu)高(gao)頻(pin)噪(zao)聲(sheng)
，由(you)於(yu)頻(pin)率(lv)高(gao)幅(fu)值(zhi)較(jiao)大(da)，後(hou)級(ji)濾(lv)波(bo)雖(sui)然(ran)有(you)一(yi)定(ding)作(zuo)用(yong)，但(dan)效(xiao)果(guo)不(bu)明(ming)顯(xian)。這(zhe)方(fang)麵(mian)有(you)專(zhuan)門(men)的(de)研(yan)究(jiu)
，簡(jian)單(dan)的(de)做(zuo)法(fa)是(shi)在(zai)二(er)極(ji)管(guan)上(shang)並(bing)電(dian)容(rong)C或RC，或串聯電感。

 

4 在二極管上並電容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為一個RC振蕩器

，產生高頻振蕩。為了抑製這種高頻振蕩，需在二極管兩端並聯電容C或RC緩衝網絡。電阻一般取10Ω-100 Ω，電容取4.7pF-2.2nF。

 

在二極管上並聯的電容C或者RC，其取值要經過反複試驗才能確定。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。關於軟開關，有很多書專門介紹。

 

5 二極管後接電感（EMI濾波）

 

這(zhe)也(ye)是(shi)常(chang)用(yong)的(de)抑(yi)製(zhi)高(gao)頻(pin)噪(zao)聲(sheng)的(de)方(fang)法(fa)。針(zhen)對(dui)產(chan)生(sheng)噪(zao)聲(sheng)的(de)頻(pin)率(lv)，選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)的(de)電(dian)感(gan)元(yuan)件(jian)
，同(tong)樣(yang)能(neng)夠(gou)有(you)效(xiao)地(di)抑(yi)製(zhi)噪(zao)聲(sheng)。需(xu)要(yao)注(zhu)意(yi)的(de)是(shi)，電(dian)感(gan)的(de)額(e)定(ding)電(dian)流(liu)要(yao)滿(man)足(zu)實(shi)際(ji)的(de)要(yao)求(qiu)。比(bi)較(jiao)簡(jian)單(dan)的(de)做(zuo)法(fa)，不(bu)再(zai)詳(xiang)細(xi)解(jie)釋(shi)。

 

小結

 

以(yi)上(shang)是(shi)關(guan)於(yu)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)紋(wen)波(bo)
，總(zong)結(jie)的(de)一(yi)些(xie)內(nei)容(rong)
，如(ru)果(guo)能(neng)加(jia)些(xie)波(bo)形(xing)就(jiu)更(geng)好(hao)了(le)。雖(sui)然(ran)可(ke)能(neng)不(bu)太(tai)全(quan)，但(dan)對(dui)一(yi)般(ban)的(de)應(ying)用(yong)已(yi)經(jing)足(zu)夠(gou)了(le)。關(guan)於(yu)噪(zao)聲(sheng)抑(yi)製(zhi)，實(shi)際(ji)中(zhong)並(bing)不(bu)一(yi)定(ding)全(quan)部(bu)應(ying)用(yong)，重(zhong)要(yao)的(de)是(shi)根(gen)據(ju)自(zi)己(ji)的(de)設(she)計(ji)要(yao)求(qiu)，比(bi)如(ru)產(chan)品(pin)體(ti)積(ji)
，成(cheng)本(ben)
，開(kai)發(fa)周(zhou)期(qi)等(deng)，選(xuan)擇(ze)合(he)適(shi)的(de)方(fang)法(fa)。

 

 

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