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開關電源紋波產生分析
  

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?;褂幸恢止材T肷?,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。因為本人是做汽車電子研發的,對于后兩種噪聲接觸較少,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50Ω 終端。橫河示波器的資料上介紹說,50Ω ??槭淺C 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。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,關于示波器的接地,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。
同樣,輸出紋波與輸出電容的關系:vripple=Imax/(Co×f)??梢鑰闖?,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。
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。
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。
對減小紋波??氐繚吹腜CB 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,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
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-100Ω,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。


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