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開關電源波紋的産生、測量及抑制 [2017/4/14]

    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,達到這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。
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,達到這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。
開關電源中最簡單的拓撲結構-buck降壓型電源。
    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在反向恢複瞬間,其等效電路為電阻電容和電感的串聯,會引起諧振,産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,是由于很多開關電源的功率器件使用外殼作為散熱器,産生的等效電容導緻的。
    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這個因素。
還有一點是要使用50?終端。橫河示波器的資料上介紹說,50?模塊是除去DC成分,精确測量AC成分。但是很少有示波器配這種專門的探頭,大多數情況是使用标配100K?到10M?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50?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:
    有些數字示波器因為幹擾和存儲深度的原因,無法正确的測量出紋波。這時應更換示波器。這方面有時候雖然老的模拟示波器帶寬隻有幾十兆,但表現要比數字示波器好。
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。
    開關電源電感L内的電流波形,其紋波電流△I可由下式算出:
    可以看出,增加L值,或者提高開關頻率可以減小電感内的電流波動。
同樣,輸出紋波與輸出電容的關系:vripple=Imax/(Co&TImes;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,但是電流是随開關變化的。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。
    應用該對策後。
    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适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。
    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,在電感上會有壓降産生,導緻電源的輸出電壓降低。而且這個壓降是随輸出電流變化的。
    采樣點選在LC濾波器之後(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内部引入了一個電感和一個電容,有可能會導緻系統不穩定。關于系統穩定,很多資料有介紹,這裡不詳細寫了。
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,如是淩特公司LT3024的曲線。
    經過LDO之後,開關紋波一般在10mV以下。
    對比曲線的曲線和的波形,可以看出對幾百KHz的開關紋波,LDO的抑制效果非常好。但在高頻範圍内,該LDO的效果就不那麼理想了。
    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 工程師,簡單的可以參考美國國半公司的AN1229:SIMPLE SWITCHER PCB Layout Guidelines, (網上有翻譯的中文摘要)
    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。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
    實際用二極管的等效電路。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,産生高頻振蕩。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-100 Ω,電容取4.7pF-2.2nF。
    在二極管上并聯的電容C或者RC,其取值要經過反複試驗才能确定。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,有很多書專門介紹。
5,二極管後接電感(EMI濾波)
    這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,液位計液位變送器物位開關電容式液位計電容式液位變送器料位開關的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。