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      1. 開關電源紋波的產生、測量和抑制

        作者:研發部 瀏覽: 發表時間:2020-02-11 14:24:46 來源:維曼智能

        一、產生分析

        1、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。

        2、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。
        3、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,產生的等效電容導致的。

        如上所述,紋波和噪聲是分開的概念:

        紋波:?電源波動中的低頻成分,一般低于5MHz,產生原因為MOSFET的開關動作。

        噪聲:?電源波動中的高頻成分,一般高于5MHz,且成分較復雜,一般包括MOSFET的開關噪聲、白噪聲,以及周圍信號的干擾等。

        上圖中,粗的正弦波就是紋波,而幅值很高的脈沖就是噪聲。

        二、使用示波器測量

        1、去除示波器控頭上的夾子與地線(因為這個本身的夾子與地線會形成環路,像一個天線接收雜訊,引入一些不必要的雜訊),使用接地環(不使用接地環也可以,不過要考慮其產生的誤差),在探頭上并聯一個10UF電解電容與一個0.1UF瓷片電容,用示波器的探針直接進行測試;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??傊M可能把減小測量回路。

        2、使用AC耦合,去除直流成分。

        3、打開20MHz帶寬限制,防止高頻噪聲干擾。

        三、開關電源紋波的抑制

        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)??梢钥闯?,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。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,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。

         

        https://blog.csdn.net/msl369369/article/details/51841632引用的方法:

        對于紋波和噪聲的消除方法,常見的有吸收式濾波和反射式濾波: 
        吸收式濾波:吸收式濾波有電容和電容電路構成,可以將噪聲徹底消除。 
        反射式濾波:由π,T或L或LC濾波電路組成,其原理是使直流信號無衰減的通過濾波電路,而頻率較高的紋波和噪聲則被返回至源端。利用了濾波電路的阻抗失配達成濾波效果。其特點是濾波電路并不能將噪聲完全消除,干擾仍然存在于電路中。根據源端阻抗和負載端阻抗的不同,有以下四種反射式濾波電路可供選擇。DC/DC電路中常用(a)和(c).

        由于LC濾波電路的濾波原理是反射,干擾仍會存在于電路中,因此為避免這些干擾對其他電路的影響,需要采取其他一些措施:

        1、增加濾波電容。單純的電容和磁珠都具有將噪聲完全濾除噪聲的作用。

        如上圖所示,為減小輸入端電源電路的干擾對電源電路的影響,需在A處放置電源濾波電路,其效果是將干擾反射回3.3V電源平面,而為避免反射的這些干擾對其他3.3V器件的影響,要在B處放置若干濾波電容。

        2、將磁珠串聯在LC濾波電路上,利用磁珠吸收電源干擾。如下圖所示 

        這樣既發揮了LC濾波電路的反射功能,又充分利用了磁珠對紋波和噪聲等干擾的吸收功能


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