開關電源紋波的產生

 

我(wo)們(men)最(zui)終(zhong)的(de)目(mu)的(de)是(shi)要(yao)把(ba)輸(shu)出(chu)紋(wen)波(bo)降(jiang)低(di)到(dao)可(ke)以(yi)忍(ren)受(shou)的(de)程(cheng)度(du)，達(da)到(dao)這(zhe)個(ge)目(mu)的(de)最(zui)根(gen)本(ben)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)法(fa)就(jiu)是(shi)要(yao)盡(jin)量(liang)避(bi)免(mian)紋(wen)波(bo)的(de)產(chan)生(sheng)，首(shou)先(xian)要(yao)清(qing)楚(chu)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)紋(wen)波(bo)的(de)種(zhong)類(lei)和(he)產(chan)生(sheng)原(yuan)因(yin)。

 

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一個與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。

 

另外，SWITCH一般選用雙極性晶體管或者MOSFET
，不管是哪種
，在其導通和截止的時候，都會有一個上升時間和下降時間。這時候在電路中就會出現一個與SWITCH上升下降時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在反向恢複瞬間，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50～60Hzzuoyou。haiyouyizhonggongmozaosheng，shiyouyuhenduokaiguandianyuandegonglvqijianshiyongwaikezuoweisanreqi

，chanshengdedengxiaodianrongdaozhide。yinweibenrenshizuoqichedianziyanfade，duiyuhouliangzhongzaoshengjiechujiaoshao，suoyizanbukaolv。

 

開關電源紋波的測量

 

基本要求：使用示波器AC耦合 ，20MHz帶寬限製 
，拔掉探頭的地線。

 

1
，AC耦合是去掉疊加的直流電壓，得到準確的波形。

 

2
，打開20MHz帶寬限製是防止高頻噪聲的幹擾
，防止測出錯誤的結果。因為高頻成分幅值較大，測量的時候應除去。

 

3，拔ba掉diao示shi波bo器qi探tan頭tou的de接jie地di夾jia

，使shi用yong接jie地di環huan測ce量liang，是shi為wei了le減jian少shao幹gan擾rao。很hen多duo部bu門men沒mei有you接jie地di環huan，如ru果guo誤wu差cha允yun許xu也ye直zhi接jie用yong探tan頭tou的de接jie地di夾jia測ce量liang。但dan在zai判pan斷duan是shi否fou合he格ge時shi要yao考kao慮lv這zhe個ge因yin素su。

 

還有一點是要使用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，大多數情況是使用標配100KΩ到10MΩ的探頭測量，影響暫時不清楚。

 

上麵是測量開關紋波時基本的注意事項。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。

 

在測量高頻噪聲時，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。第二要得到客戶認可。

 

關於示波器：

 

有you些xie數shu字zi示shi波bo器qi因yin為wei幹gan擾rao和he存cun儲chu深shen度du的de原yuan因yin，無wu法fa正zheng確que的de測ce量liang出chu紋wen波bo。這zhe時shi應ying更geng換huan示shi波bo器qi。這zhe方fang麵mian有you時shi候hou雖sui然ran老lao的de模mo擬ni示shi波bo器qi帶dai寬kuan隻zhi有you幾ji十shi兆zhao，但dan表biao現xian要yao比bi數shu字zi示shi波bo器qi好hao。

 

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，關於示波器的接地
，電源測試的相關知識
，也可以看一下。

 

開關電源紋波的抑製

 

對於開關紋波，理論上和實際上都是一定存在的。通常抑製或減少它的做法有五種：

 

1 加大電感和輸出電容濾波

 

genjukaiguandianyuandegongshi，dianganneidianliubodongdaxiaohedianganzhichengfanbi，shuchuwenboheshuchudianrongzhichengfanbi。suoyijiadadianganzhiheshuchudianrongzhikeyijianxiaowenbo。

 

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。但是電解電容在抑製高頻噪聲方麵效果不是很好，而且ESR也比較大，所以會在它旁邊並聯一個陶瓷電容，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)
，並聯電容來提供電流。

 

上麵這種做法對減小紋波的作用是有限的。因為體積限製，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(zeng)加(jia)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)，又(you)會(hui)增(zeng)加(jia)開(kai)關(guan)損(sun)失(shi)。所(suo)以(yi)在(zai)要(yao)求(qiu)比(bi)較(jiao)嚴(yan)格(ge)時(shi)，這(zhe)種(zhong)方(fang)法(fa)並(bing)不(bu)是(shi)很(hen)好(hao)。關(guan)於(yu)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)的(de)原(yuan)理(li)等(deng)，可(ke)以(yi)參(can)考(kao)各(ge)類(lei)開(kai)關(guan)電(dian)源(yuan)設(she)計(ji)手(shou)冊(ce)。

 

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製作用比較明顯，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。

 

采樣點選在LC濾波器之前(Pa)
，輸shu出chu電dian壓ya會hui降jiang低di。因yin為wei任ren何he電dian感gan都dou有you一yi個ge直zhi流liu電dian阻zu，當dang有you電dian流liu輸shu出chu時shi

，在zai電dian感gan上shang會hui有you壓ya降jiang產chan生sheng，導dao致zhi電dian源yuan的de輸shu出chu電dian壓ya降jiang低di。而er且qie這zhe個ge壓ya降jiang是shi隨sui輸shu出chu電dian流liu變bian化hua的de。

 

采樣點選在LC濾波器之後(Pb)，zheyangshuchudianyajiushiwomensuoxiwangdedaodedianya。danshizheyangzaidianyuanxitongneibuyinruleyigedianganheyigedianrong，youkenenghuidaozhixitongbuwending。guanyuxitongwending
，henduoziliaoyoujieshao，zhelibuxiangxixiele。

 

3 開關電源輸出之後，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，不需要改變原有的反饋係統，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：噪音抑製比。是一條頻率-dB曲線。

 

對減小紋波。開關電源的PCB布線也非常關鍵，這是個很赫手的問題。有專門的開關電源PCB gongchengshi，duiyugaopinzaosheng
，youyupinlvgaofuzhijiaoda

，houjilvbosuiranyouyidingzuoyong
，danxiaoguobumingxian。zhefangmianyouzhuanmendeyanjiu，jiandandezuofashizaierjiguanshangbingdianrongC或RC，或串聯電感。

 

4 在二極管上並電容C或RC

 

二極管高速導通截止時
，要考慮寄生參數。在二極管反向恢複期間，等效電感和等效電容成為一個RC振蕩器，產生高頻振蕩。為了抑製這種高頻振蕩，需在二極管兩端並聯電容C或RC緩衝網絡。電阻一般取10Ω-100 Ω，電容取4.7pF-2.2nF。

 

在二極管上並聯的電容C或者RC
，其取值要經過反複試驗才能確定。如果選用不當，反而會造成更嚴重的振蕩。

 

對高頻噪聲要求嚴格的話，可以采用軟開關技術。關於軟開關，有很多書專門介紹。

 

5 二極管後接電感（EMI濾波）

 

zheyeshichangyongdeyizhigaopinzaoshengdefangfa。zhenduichanshengzaoshengdepinlv

，xuanzeheshidedianganyuanjian，tongyangnenggouyouxiaodiyizhizaosheng。xuyaozhuyideshi，diangandeedingdianliuyaomanzushijideyaoqiu。bijiaojiandandezuofa
，buzaixiangxijieshi。

 

小結

 

以yi上shang是shi關guan於yu開kai關guan電dian源yuan紋wen波bo，總zong結jie的de一yi些xie內nei容rong，如ru果guo能neng加jia些xie波bo形xing就jiu更geng好hao了le。雖sui然ran可ke能neng不bu太tai全quan
，但dan對dui一yi般ban的de應ying用yong已yi經jing足zu夠gou了le。關guan於yu噪zao聲sheng抑yi製zhi

，實shi際ji中zhong並bing不bu一yi定ding全quan部bu應ying用yong，重zhong要yao的de是shi根gen據ju自zi己ji的de設she計ji要yao求qiu，比bi如ru產chan品pin體ti積ji
，成cheng本ben
，開kai發fa周zhou期qi等deng，選xuan擇ze合he適shi的de方fang法fa。

 

 

推薦閱讀：