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1、 开关电源纹波的产生开关电源纹波的产生 我们最终的目的是要把输出纹波降低到可以忍受的程度 达到这个目的最根本的解决方法就 是要尽量避免纹波的产生 首先要清楚开关电源纹波的种类和产生原因 随着 SWITCH 的开关 电感 L 中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的 所以在输出 端也会出现一个与 SWITCH 同频率的纹波 一般所说的纹波就是指这个 它与输出电容的 容量和 ESR 有关系 这个纹波的频率与开关电源相同 为几十到几百 KHz 另外 SWITCH 一般选用双极性晶体管或者 MOSFET 不管是哪种 在其导通和截止的时 候 都会有一个上升时间和下降时间 这时候在电路中就会出现一个与 S
2、WITCH 上升下降 时间的频率相同或者奇数倍频的噪声 一般为几十 MHz 同样二极管 D 在反向恢复瞬间 其等效电路为电阻电容和电感的串联 会引起谐振 产生的噪声频率也为几十 MHz 这两 种噪声一般叫做高频噪声 幅值通常要比纹波大得多 如果是 AC DC 变换器 除了上述两种纹波 噪声 以外 还有 AC 噪声 频率是输入 AC 电 源的频率 为 50 60Hz 左右 还有一种共模噪声 是由于很多开关电源的功率器件使用外 壳作为散热器 产生的等效电容导致的 因为本人是做汽车电子研发的 对于后两种噪声接 触较少 所以暂不考虑 开关电源纹波的测量开关电源纹波的测量 基本要求 使用示波器 AC 耦
3、合 20MHz 带宽限制 拔掉探头的地线 1 AC 耦合是去掉叠加的直流电压 得到准确的波形 2 打开 20MHz 带宽限制是防止高频噪声的干扰 防止测出错误的结果 因为高频成分幅 值较大 测量的时候应除去 3 拔掉示波器探头的接地夹 使用接地环测量 是为了减少干扰 很多部门没有接地环 如果误差允许也直接用探头的接地夹测量 但在判断是否合格时要考虑这个因素 还有一点是要使用 50 终端 横河示波器的资料上介绍说 50 模块是除去 DC 成分 精 确测量 AC 成分 但是很少有示波器配这种专门的探头 大多数情况是使用标配 100K 到 10M 的探头测量 影响暂时不清楚 上面是测量开关纹波时基本
4、的注意事项 如果示波器探头不是直接接触输出点 应该用双绞 线 或者 50 同轴电缆方式测量 在测量高频噪声时 使用示波器的全通带 一般为几百兆到 GHz 级别 其他与上述相同 可能不同的公司有不同的测试方法 归根到底第一要清楚自己的测试结果 第二要得到客户 认可 关于示波器 有些数字示波器因为干扰和存储深度的原因 无法正确的测量出纹波 这时应更换示波器 这方面有时候虽然老的模拟示波器带宽只有几十兆 但表现要比数字示波器好 泰克公司有专门分开测量上述两种纹波 噪声 的软件 可以看一下参考资料 5 同样 关于 示波器的接地 电源测试的相关知识 也可以看一下 开关电源纹波的抑制开关电源纹波的抑制 对
5、于开关纹波 理论上和实际上都是一定存在的 通常抑制或减少它的做法有三种 1 加大电感和输出电容滤波加大电感和输出电容滤波 根据开关电源的公式 电感内电流波动大小和电感值成反比 输出纹波和输出电容值成反比 所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波 同样 输出纹波与输出电容的关系 vripple Imax Co f 可以看出 加大输出电容值可以 减小纹波 通常的做法 对于输出电容 使用铝电解电容以达到大容量的目的 但是电解电容在抑制高 频噪声方面效果不是很好 而且 ESR 也比较大 所以会在它旁边并联一个陶瓷电容 来弥 补铝电解电容的不足 同时 开关电源工作时 输入端的电压 Vin 不变 但是电流是
6、随开关变化的 这时输入电源 不会很好地提供电流 通常在靠近电流输入端 以 BucK 型为例 是 SWITcH 附近 并联电 容来提供电流 上面这种做法对减小纹波的作用是有限的 因为体积限制 电感不会做的很大 输出电容增 加到一定程度 对减小纹波就没有明显的效果了 增加开关频率 又会增加开关损失 所以 在要求比较严格时 这种方法并不是很好 关于开关电源的原理等 可以参考各类开关电源 设计手册 2 二级滤波二级滤波 就是再加一级就是再加一级 LC 滤波器滤波器 LC 滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显 根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成 滤波电路 一般能够很好的减小纹波 采样点选在 LC 滤
7、波器之前 Pa 输出电压会降低 因为任何电感都有一个直流电阻 当有 电流输出时 在电感上会有压降产生 导致电源的输出电压降低 而且这个压降是随输出电 流变化的 采样点选在 LC 滤波器之后 Pb 这样输出电压就是我们所希望得到的电压 但是这样在电 源系统内部引入了一个电感和一个电容 有可能会导致系统不稳定 关于系统稳定 很多资 料有介绍 这里不详细写了 3 开关电源输出之后开关电源输出之后 接接 LDO 滤波滤波 这是减少纹波和噪声最有效的办法 输出电压恒定 不需要改变原有的反馈系统 但也是成 本最高 功耗最高的办法 任何一款 LDO 都有一项指标 噪音抑制比 是一条频率 dB 曲 线 如右图
8、是凌特公司 LT3024 的曲线 对减小纹波 开关电源的 PCB 布线也非常关键 这是个很赫手的问题 有专门的开关电源 PCB 工程师 对于高频噪声 由于频率高幅值较大 后级滤波虽然有一定作用 但效果不 明显 这方面有专门的研究 简单的做法是在二极管上并电容 C 或 RC 或串联电感 4 在二极管上并电容在二极管上并电容 C 或或 RC 二极管高速导通截止时 要考虑寄生参数 在二极管反向恢复期间 等效电感和等效电容成 为一个 RC 振荡器 产生高频振荡 为了抑制这种高频振荡 需在二极管两端并联电容 C 或 RC 缓冲网络 电阻一般取 10 100 电容取 4 7pF 2 2nF 在二极管上并联
9、的电容 C 或者 RC 其取值要经过反复试验才能确定 如果选用不当 反而 会造成更严重的振荡 对高频噪声要求严格的话 可以采用软开关技术 关于软开关 有很多书专门介绍 5 二极管后接电感二极管后接电感 EMI 滤波滤波 这也是常用的抑制高频噪声的方法 针对产生噪声的频率 选择合适的电感元件 同样能够 有效地抑制噪声 需要注意的是 电感的额定电流要满足实际的要求 比较简单的做法 不 再详细解释 以上是关于开关电源纹波 总结的一些内容 如果能加些波形就更好了 虽然可能不太全 但对一般的应用已经足够了 关于噪声抑制 实际中并不一定全部应用 重要的是根据自己 的设计要求 比如产品体积 成本 开发周期等 选择合适的方法
