開關(guān)電源紋波產(chǎn)生以及抑制的方法

開關(guān)電源紋波的產(chǎn)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(dá)到這個(gè)目的最根本的解決方法就是要盡量避免紋波的產(chǎn)生，首先要清楚開關(guān)電源紋波的種類和產(chǎn)生原因。

上圖是開關(guān)電源中最簡單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)-buck降壓型電源。

隨著SWITCH的開關(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(xiàn)一個(gè)與SWITCH同頻率的紋波，一般所說的紋波就是指這個(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(dǎo)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(xiàn)一個(gè)與SWITCH上升下降時(shí)間的頻率相同或者奇數(shù)倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極管D在反向恢復(fù)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(dǎo)致的。

因?yàn)楸救耸亲銎囯娮友邪l(fā)的，對于后兩種噪聲接觸較少，所以暫不考慮。

開關(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

1，AC耦合是去掉疊加的直流電壓，得到準(zhǔn)確的波形。

2，打開20MHz帶寬限制是防止高頻噪聲的干擾，防止測出錯(cuò)誤的結(jié)果。因?yàn)楦哳l成分幅值較大，測量的時(shí)候應(yīng)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。很多部門沒有接地環(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，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門的探頭，大多數(shù)情況是使用標(biāo)配100KΩ到10MΩ的探頭測量，影響暫時(shí)不清楚。

上面是測量開關(guān)紋波時(shí)基本的注意事項(xiàng)。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點(diǎn)，應(yīng)該用雙絞線，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(jié)果。第二要得到客戶認(rèn)可，

關(guān)于示波器：

有些數(shù)字示波器因?yàn)楦蓴_和存儲(chǔ)深度的原因，無法正確的測量出紋波。這時(shí)應(yīng)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(xiàn)要比數(shù)字示波器好。

泰克公司有專門分開測量上述兩種紋波(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。

開關(guān)電源紋波的抑制

對于開關(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(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。

左圖是開關(guān)電源電感L內(nèi)的電流波形，其紋波電流△I可由下式算出：

可以看出，增加L值，或者提高開關(guān)頻率可以減小電感內(nèi)的電流波動(dòng)。

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。

應(yīng)用該對策后，BUCK型開關(guān)電源如下圖所示：

上面這種做法對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。

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(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。

但是，這種情況下需要考慮反饋比較電壓的采樣點(diǎn)。(如下圖所示)

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。