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开关电源纹波的孕育发生

我们终极的目的是要把输出纹波低落到可以忍受的程度,达到这个目的最根本的办理措施便是要只管即便避免纹波的孕育发生,首先要清楚开关电源纹波的种类和孕育发生缘故原由。

上图是开关电源中最简单的拓扑布局-buck降压型电源。

跟着SWITCH的开关,电感L中的电流也是在输出电流的有效值高低颠簸的。以是在输出端也会呈现一个与SWITCH同频率的纹波,一样平常所说的纹波便是指这个。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KH澳门威利斯人网站44z。

别的,SWITCH一样平常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刻澳门威利斯人网站44,都邑有一个上升光阴和下降光阴。这时刻在电路中就会呈现一个与SWITCH上升下降光阴的频率相同或者奇数倍频的噪声,一样平常为几十MHz。同样二极管D在反向规复瞬间,其等效电路为电阻电容和电感的串联,会引起谐振,孕育发生的噪声频率也为几十MHz。这两种噪声一样平常叫做高频噪声,幅值平日要比纹波大年夜得多。

假如是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阁下。还有一种共模噪声,是因为很多开关电源的功率器件应用外壳作为散热器,孕育发生的等效电容导致的。

开关电源纹波的丈量

基础要求:

应用示波器AC耦合

20MHz带脱期制

拔掉落探头的地线

1,AC耦合是去掉落叠加的直流电压,获得准确的波形。

2,打开20MHz带脱期制是防止高频噪声的滋扰,防止测出差错的结果。由于高频因素幅值较大年夜,丈量的时刻应撤除。

3,拔掉落示波器探头的接地夹,应用接地环丈量,是为了削减滋扰。很多部门没有接地环,假如偏差容许也直接用探头的接地夹丈量。但在判断是否合格时要斟酌这个身分。

还有一点是要应用50?终端。横河示波器的资料上先容说,50?模块是撤除DC因素,正确丈量AC因素。然则很少有示波器配这种专门的探头,大年夜多半环境是应用标配100K?到10M?的探头丈量,影响暂时不清楚。

上面是丈量开关纹波时基础的留意事变。假如示波器探头不是直接打仗输出点,应该用双绞线,或者50?同轴电缆要领丈量。

在丈量高频噪声时,应用示波器的全通带,一样平常为几百兆到GHz级别。其他与上述相同。可能不合的公司有不合的测试措施。归根到底第一要清楚自己的测试结果。第二要获得客户认可,

关于示波器:

有些数字示波器由于滋扰和存储深度的缘故原由,无法精确的丈量出纹波。这时应替换示波器。这方面无意偶尔候虽然老的模拟示波器带宽只有几十兆,但体现要比数字示波器好。

开关电源纹波的抑制

对付开关纹波,理论上和实际上都是必然存在的。 平日抑制或削减它的做法有三种:

1,加大年夜电感和输出电容滤波

根据开关电源的公式,电感内电流颠簸大年夜小和电感值成反比,输出纹波和输出电容值成反比。以是加大年夜电感值和输出电容值可以减小纹波。

上图是开关电源电感L内的电流波形,其纹波电流△I可由下式算出:

可以看出,增添L值,或者前进开关频率可以减小电感内的电流颠簸。

同样,输出纹波与输出电容的关系:vripple=Imax/(Cof)。 可以看出,加大年夜输出电容值可以减小纹波。

平日的做法,对付输出电容,应用铝电解电容以达到大年夜容量的目的。然则澳门威利斯人网站44电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好,而且ESR也对照大年夜,以是会在它左右并联一个陶瓷电容,来增补铝电解电容的不够。

同时,开关电源事情时,输入真个电压Vin不变,然则电流是随开关变更的。这时输入电源不会很好地供给电流,平日在接近电流输入端(以BucK型为例,是SWITcH相近),并联电容来供给电流。

利用该对策后,BUCK型开关电源如下图所示:

上面这种做法对减小纹波的感化是有限的。由于体积限定,电感不会做的很大年夜;输出电容增添到必然程度,对减小纹波就没有显着的效果了;增添开关频率,又会增添开关丧掉。以是在要求对照严格时,这种措施并不是很好。

关于开关电源的道理等,可以参考种种开关电源设计手册。

2,二级滤波,便是再加一级LC滤波器

LC滤波器对噪纹波的抑制感化对照显着,根据要撤除的纹波频率选择相宜的电感电容构成滤波电路,一样平澳门威利斯人网站44常能够很好的减小纹波。

然则,这种环境下必要斟酌反馈对照电压的采样点。(如下图所示)

采样点选在LC滤波器之前(Pa),输出电压会低落。由于任何电感都有一个直流电阻,当有电流输出时,在电感上会有压降孕育发生,导致电源的输出电压低落。而且这个压降是随输出电流变更的。

采样点选在LC澳门威利斯人网站44滤波器之后(Pb),这样输出电压便是我们所盼望获得的电压。然则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,很多资料有先容,这里不具体写了。

3,开关电源输出之后,接LDO滤波

这是削减纹波和噪声最有效的法子,输出电压恒定,不必要改变原有的反馈系统,但也是资源最高,功耗最高的法子。

任何一款LDO都有一项指标:噪音抑制比。是一条频率-dB曲线,如右图是凌特公司LT3024的曲线。

颠末LDO之后,开关纹波一样平常在10mV以下。

下图是LDO前后的纹波比较:

比较曲线上图的曲线和左图的波形,可以看出对几百KHz的开关纹波,LDO的抑制效果异常好。但在高频范围内,该LDO的效果就不那么抱负了。

对减小纹波。开关电源的PCB布线也异常关键,这是个很赫手的问题。有专门的开关电源PCB 工程师,简单的可以参考美国国半公司的AN1229:SIMPLE SWITCHER PCB Layout Guidelines, (网上有翻译的中文择要)

对付高频噪声,因为频率高幅值较大年夜,后级滤波虽然有必然感化,但效果不显着。这方面有专门的钻研,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C或RC

上图是实际用二极管的等效电路。二极管高速导通截止时,要斟酌寄生参数。在二极管反向规复时代,等效电感和等效电容成为一个RC振荡器,孕育发生高频振荡。为了抑制这种高频振荡,需在二极管两端并联电容C或RC缓冲收集。电阻一样平常取10-100 ,电容取4.7pF-2.2nF。

在二极管上并联的电容C或者RC,其取值要颠末反复试验才能确定。假如选用欠妥,反而会造成更严重的振荡。

对高频噪声要求严格的话,可以采纳软开关技巧。关于软开关,有很多书专门先容。

5,二极管后接电感(EMI滤波)

这也是常用的抑制高频噪声的措施。针对孕育发生噪声的频率,选择相宜的电感元件,同样能够有效地抑制噪声。必要留意的是,电感的额定电流要满意实际的要求。对照简单的做法,不再具体解释。

小结

以上是关于开关电源纹波,总结的一些内容,假如能加些波形就更好了。虽然可能不太全,但对一样平常的利用已经足够了。关于噪声抑制,实际中并不必然整个利用,紧张的是根据自己的设计要求,比如产品体积,资源,开拓周期等,选择相宜的措施。

责任编辑;zl

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