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探究開(kāi)關(guān)電源波紋的產(chǎn)生、測量與抑制

時(shí)間:2019-02-13 11:10:16來(lái)源:微信公眾號：電磁兼容EMC 作者:電子愛(ài)好者 點(diǎn)擊:次
一、PCB布線(xiàn)與紋波關(guān)系布局：脈沖電壓連線(xiàn)盡可能短，其中輸入開(kāi)關(guān)管到變壓器連線(xiàn)，輸出變壓器到整流管連接線(xiàn)。脈沖電流環(huán)路盡可能小如輸入濾波電容正到變壓器到開(kāi)關(guān)管返回電

1. 加大電感和輸出電容濾波

根據開(kāi)關(guān)電源的公式，電感內電流波動(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。

上圖是開(kāi)關(guān)電源電感L內的電流波形，其紋波電流△I可由下式算出：

可以看出，增加L值，或者提高開(kāi)關(guān)頻率可以減小電感內的電流波動(dòng)。

同樣，輸出紋波與輸出電容的關(guān)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(huì )在它旁邊并聯(lián)一個(gè)陶瓷電容，來(lái)彌補鋁電解電容的不足。

同時(shí)，開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，輸入端的電壓Vin不變，但是電流是隨開(kāi)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(lái)提供電流。

應用該對策后，BUCK型開(kāi)關(guān)電源如下圖所示：

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(huì )做的很大；輸出電容增加到一定程度，對減小紋波就沒(méi)有明顯的效果了；增加開(kāi)關(guān)頻率，又會(huì )增加開(kāi)關(guān)損失。所以在要求比較嚴格時(shí)，這種方法并不是很好。

關(guān)于開(kāi)關(guān)電源的原理等，可以參考各類(lèi)開(kāi)關(guān)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。

但是，這種情況下需要考慮反饋比較電壓的采樣點(diǎn)。(如下圖所示)

采樣點(diǎn)選在LC濾波器之前(Pa)，輸出電壓會(huì )降低。因為任何電感都有一個(gè)直流電阻，當有電流輸出時(shí)，在電感上會(huì )有壓降產(chǎn)生，導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內部引入了一個(gè)電感和一個(gè)電容，有可能會(huì )導致系統不穩定。關(guān)于系統穩定，很多資料有介紹，這里不詳細寫(xiě)了。

3. 開(kāi)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，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(xiàn)，如下圖LT3024的曲線(xiàn)。

經(jīng)過(guò)LDO之后，開(kāi)關(guān)紋波一般在10mV以下。

下圖是LDO前后的紋波對比：

對比曲線(xiàn)上圖的曲線(xiàn)和左圖的波形，可以看出對幾百KHz的開(kāi)關(guān)紋波，LDO的抑制效果非常好。但在高頻范圍內，該LDO的效果就不那么理想了。

對減小紋波。開(kāi)關(guān)電源的PCB布線(xiàn)也非常關(guān)鍵，這是個(gè)很赫手的問(wèn)題。有專(zhuān)門(mén)的開(kāi)關(guān)電源PCB 工程師，簡(jiǎn)單的可以參考美國國半公司的AN1229：SIMPLE SWITCHER PCB Layout Guidelines，  (網(wǎng)上有翻譯的中文摘要)

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(zhuān)門(mén)的研究，簡(jiǎn)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

上圖是實(shí)際用二極管的等效電路。二極管高速導通截止時(shí)，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(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-100 Ω，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(guò)反復試驗才能確定。如果選用不當，反而會(huì )造成更嚴重的振蕩。

對高頻噪聲要求嚴格的話(huà)，可以采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)。關(guān)于軟開(kāi)關(guān)，有很多書(shū)專(zhuān)門(mén)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(mǎn)足實(shí)際的要求。比較簡(jiǎn)單的做法，不再詳細解釋。

五、小結

以上是關(guān)于開(kāi)關(guān)電源紋波，總結的一些內容，如果能加些波形就更好了。雖然可能不太全，但對一般的應用已經(jīng)足夠了。關(guān)于噪聲抑制，實(shí)際中并不一定全部應用，重要的是根據自己的設計要求，比如產(chǎn)品體積，成本，開(kāi)發(fā)周期等，選擇合適的方法。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持

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