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[導(dǎo)讀]如何正確測(cè)量開關(guān)電源紋波?如何有效抑制開關(guān)電源的紋波以達(dá)到供電電路的要求?這些都是PCB設(shè)計(jì)工程師需要掌握的重要技能。


開關(guān)穩(wěn)壓電源非常關(guān)鍵的一個(gè)指標(biāo)就是紋波,它主要是由開關(guān)變換的方式導(dǎo)致的,也因紋波的存在會(huì)影響到后續(xù)電路的工作,尤其是在對(duì)紋波比較敏感的場(chǎng)合下。如何正確測(cè)量開關(guān)電源紋波?如何有效抑制開關(guān)電源的紋波以達(dá)到供電電路的要求?這些都是PCB設(shè)計(jì)工程師需要掌握的重要技能。


開關(guān)電源紋波的測(cè)量


要有效降低開關(guān)電源輸出紋波我們首先得有個(gè)比較靠譜的測(cè)試方法,不能是由于測(cè)試方法的問題而導(dǎo)致的假波形是整改不好的


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(cè)出錯(cuò)誤的結(jié)果。因?yàn)楦哳l成分幅值較大,測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)量,影響暫時(shí)不清楚。


上面是測(cè)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(cè)量。


在測(cè)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(jí)別。其他與上述相同。


可能不同的公司有不同的測(cè)試方法。歸根到底第一要清楚自己的測(cè)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(cè)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。


開關(guān)電源紋波的抑制


對(duì)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五種:



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。


上圖是開關(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)??梢钥闯?,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)。


應(yīng)用該對(duì)策后,BUCK型開關(guān)電源如下圖所示:



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)。


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。


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。


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。


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。



經(jīng)過LDO之后,開關(guān)紋波一般在10mV以下。


下圖是LDO前后的紋波對(duì)比:



對(duì)比曲線上圖的曲線和左圖的波形,可以看出對(duì)幾百KHz的開關(guān)紋波,LDO的抑制效果非常好。但在高頻范圍內(nèi),該LDO的效果就不那么理想了。


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。


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。


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-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。


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。



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