開關電源紋波的產生 測量和抑制

2021-10-24 18:15:50 字數 3316 閱讀 9605

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乙個與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 有關係。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 一般選用雙極性電晶體或者mosfet,不管是哪種,在其導通和截止的時候,都會有乙個上公升時間和下降時間。這時候在電路中就會出現乙個與switch 上公升下降時間的頻率相同或者奇數倍頻的雜訊,一般為幾十mhz。同樣二極體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,產生的雜訊頻率也為幾十mhz。這兩種雜訊一般叫做高頻雜訊,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(雜訊)以外,還有ac 雜訊,頻率是輸入ac 電源的頻率,為50~60hz 左右。還有一種共模雜訊,是由於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,紋波和雜訊是分開的概念:

紋波:☞電源波動中的低頻成分,一般低於5mhz,產生原因為mosfet的開關動作。

雜訊:☞電源波動中的高頻成分,一般高於5mhz,且成分較複雜,一般包括mosfet的開關雜訊、白雜訊,以及周圍訊號的干擾等。

上圖中,粗的正弦波就是紋波,而幅值很高的脈衝就是雜訊。

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,像乙個天線接收雜訊,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),在探頭上併聯乙個10uf電解電容與乙個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。總之盡可能把減小測量迴路。

2、使用ac耦合,去除直流成分。

3、開啟20mhz頻寬限制,防止高頻雜訊干擾。

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係:vripple=imax/(co×f)。可以看出,加大輸出電容值可以減小紋波。

通常的做法,對於輸出電容,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雜訊方面效果不是很好,而且esr 也比較大,所以會在它旁邊併聯乙個陶瓷電容,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),併聯電容來提供電流。

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,這種方法並不是很好。關於開關電源的原理等,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。

取樣點選在lc 濾波器之前(pa),輸出電壓會降低。因為任何電感都有乙個直流電阻,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。

取樣點選在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內部引入了乙個電感和乙個電容,有可能會導致系統不穩定。關於系統穩定,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

這是減少紋波和雜訊最有效的辦法,輸出電壓恆定,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 佈線也非常關鍵,這是個很赫手的問題。有專門的開關電源pcb 工程師,對於高頻雜訊,由於頻率高幅值較大,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體上並電容c 或rc,或串聯電感。

4,在二極體上並電容c 或rc

二極體高速導通截止時,要考慮寄生引數。在二極體反向恢復期間,等效電感和等效電容成為乙個rc 振盪器,產生高頻振盪。為了抑制這種高頻振盪,需在二極體兩端併聯電容c或rc 緩衝網路。電阻一般取10ω-100ω,電容取4.7pf-2.2nf。

在二極體上併聯的電容c 或者rc,其取值要經過反覆試驗才能確定。如果選用不當,反而會造成更嚴重的振盪。

對高頻雜訊要求嚴格的話,可以採用軟開關技術。關於軟開關,有很多書專門介紹。

5,二極體後接電感(emi 濾波)

這也是常用的抑制高頻雜訊的方法。針對產生雜訊的頻率,選擇合適的電感元件,同樣能夠有效地抑制雜訊。需要注意的是,電感的額定電流要滿足實際的要求。

從引用的方法:

對於紋波和雜訊的消除方法,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,可以將雜訊徹底消除。 

反射式濾波:由π,t或l或lc濾波電路組成,其原理是使直流訊號無衰減的通過濾波電路,而頻率較高的紋波和雜訊則被返回至源端。利用了濾波電路的阻抗失配達成濾波效果。其特點是濾波電路並不能將雜訊完全消除,干擾仍然存在於電路中。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).

由於lc濾波電路的濾波原理是反射,干擾仍會存在於電路中,因此為避免這些干擾對其他電路的影響,需要採取其他一些措施:

1、增加濾波電容。單純的電容和磁珠都具有將雜訊完全濾除雜訊的作用。

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雜訊等干擾的吸收功能。

開關電源紋波的產生 測量和抑制

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乙個與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 有關係。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 一般選用雙極性電...

如何抑制開關電源紋波的產生

開關電源紋波的產生 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產生,首先要清楚開關電源紋波的種類和產生原因。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乙個與switch同頻率的紋波,一般所說的紋...

開關電源紋波產生分析

摘要 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乙個與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 有關係。這個紋波.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...