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開關(guān)電源紋波,抑制或減少的5種方法

發(fā)布時(shí)間:2020-05-09 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】根據(jù)開關(guān)電源的公式,電感內(nèi)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。
 
開關(guān)電源紋波,抑制或減少的5種方法
 
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5種:
 
1、加大電感和輸出電容濾波
根據(jù)開關(guān)電源的公式,電感內(nèi)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)。 可以看出,加大輸出電容值可以減小紋波。
 
通常的做法,對(duì)于輸出電容,使用鋁電解電容以達(dá)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,來彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。
 
同時(shí),開關(guān)電源工作時(shí),輸入端的電壓Vin不變,但是電流是隨開關(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)電容來提供電流。
 
上面這種做法對(duì)減小紋波的作用是有限的。因?yàn)轶w積限制,電感不會(huì)做的很大;輸出電容增加到一定程度,對(duì)減小紋波就沒有明顯的效果了;增加開關(guān)頻率,又會(huì)增加開關(guān)損失。所以在要求比較嚴(yán)格時(shí),這種方法并不是很好。關(guān)于開關(guān)電源的原理等,可以參考各類開關(guān)電源設(shè)計(jì)手冊(cè)。
 
2、二級(jí)濾波,就是再加一級(jí)LC濾波器
LC濾波器對(duì)噪紋波的抑制作用比較明顯,根據(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構(gòu)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?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋€(gè)直流電阻,當(dāng)有電流輸出時(shí),在電感上會(huì)有壓降產(chǎn)生,導(dǎo)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(tǒng)內(nèi)部引入了一個(gè)電感和一個(gè)電容,有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定,很多資料有介紹,這里不詳細(xì)寫了。
 
3、開關(guān)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?cè)械姆答佅到y(tǒng),但也是成本最高,功耗最高的辦法。 任何一款LDO都有一項(xiàng)指標(biāo):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(duì)減小紋波。開關(guān)電源的PCB布線也非常關(guān)鍵,這是個(gè)很赫手的問題。有專門的開關(guān)電源PCB 工程師,對(duì)于高頻噪聲,由于頻率高幅值較大,后級(jí)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(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(dǎo)通截止時(shí),要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復(fù)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-100 Ω,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)過反復(fù)試驗(yàn)才能確定。如果選用不當(dāng),反而會(huì)造成更嚴(yán)重的振蕩。
 
對(duì)高頻噪聲要求嚴(yán)格的話,可以采用軟開關(guān)技術(shù)。關(guān)于軟開關(guān),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(duì)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足實(shí)際的要求。比較簡(jiǎn)單的做法,不再詳細(xì)解釋。
 
小結(jié)
以上是關(guān)于開關(guān)電源紋波,總結(jié)的一些內(nèi)容,如果能加些波形就更好了。雖然可能不太全,但對(duì)一般的應(yīng)用已經(jīng)足夠了。關(guān)于噪聲抑制,實(shí)際中并不一定全部應(yīng)用,重要的是根據(jù)自己的設(shè)計(jì)要求,比如產(chǎn)品體積,成本,開發(fā)周期等,選擇合適的方法。
 
 
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