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開(kāi)關(guān)電源紋波產(chǎn)生分析
  

隨著(zhù)SWITCH 的開(kāi)關(guān),電感L 中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動(dòng)的。所以在輸出端也會(huì )出現一個(gè)與SWITCH 同頻率的紋波,一般所說(shuō)的紋波就是指這個(gè)。它與輸出電容的容量和ESR 有關(guān)系。這個(gè)紋波的頻率與開(kāi)關(guān)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M(jìn)OSFET,不管是哪種,在其導通和截止的時(shí)候,都會(huì )有一個(gè)上升時(shí)間和下降時(shí)間。這時(shí)候在電路中就會(huì )出現一個(gè)與SWITCH 上升下降時(shí)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(lián),會(huì )引起諧振,產(chǎn)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(kāi)關(guān)電源的功率器件使用外殼作為散熱器,產(chǎn)生的等效電容導致的。因為本人是做汽車(chē)電子研發(fā)的,對于后兩種噪聲接觸較少,所以暫不考慮。
開(kāi)關(guān)電源紋波的測量
基本要求:使用示波器AC 耦合,20MHz 帶寬限制,拔掉探頭的地線(xiàn)
1,AC 耦合是去掉疊加的直流電壓,得到準確的波形。
2,打開(kāi)20MHz 帶寬限制是防止高頻噪聲的干擾,防止測出錯誤的結果。因為高頻成分幅值較大,測量的時(shí)候應除去。
3,拔掉示波器探頭的接地夾,使用接地環(huán)測量,是為了減少干擾。很多部門(mén)沒(méi)有接地環(huán),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(shí)要考慮這個(gè)因素。
還有一點(diǎn)是要使用50Ω 終端。橫河示波器的資料上介紹說(shuō),50Ω 模塊是除去DC 成分,精確測量AC 成分。但是很少有示波器配這種專(zhuān)門(mén)的探頭,大多數情況是使用標配100KΩ 到10MΩ 的探頭測量,影響暫時(shí)不清楚。
上面是測量開(kāi)關(guān)紋波時(shí)基本的注意事項。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點(diǎn),應該用雙絞線(xiàn),或者50Ω 同軸電纜方式測量。
在測量高頻噪聲時(shí),使用示波器的全通帶,一般為幾百兆到GHz 級別。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(hù)認可。
關(guān)于示波器:
有些數字示波器因為干擾和存儲深度的原因,無(wú)法正確的測量出紋波。這時(shí)應更換示波器。這方面有時(shí)候雖然老的模擬示波器帶寬只有幾十兆,但表現要比數字示波器好。泰克公司有專(zhuān)門(mén)分開(kāi)測量上述兩種紋波(噪聲)的軟件,可以看一下參考資料5。同樣,關(guān)于示波器的接地,電源測試的相關(guān)知識,也可以看一下。
開(kāi)關(guān)電源紋波的抑制
對于開(kāi)關(guān)紋波,理論上和實(shí)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(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。
同樣,輸出紋波與輸出電容的關(guān)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(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。
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。
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*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**高,功耗**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),如右圖是凌特公司LT3024 的曲線(xiàn)。
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,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
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-100Ω,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。


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