開關電源紋波的抑制
對于開關紋波,理論上和實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。
增加L值,或者提高開關頻率可以減小電感內的電流波動。
同樣,輸出紋波與輸出電容的關系:vripple=Imax/(Co×f)。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,所以會在它旁邊并聯(lián)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),并聯(lián)電容來提供電流。
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,這種方法并不是很好。
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),輸出電壓會降低。因為任何電感都有一個直流電阻,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。
采樣點選在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)內部引入了一個電感和一個電容,有可能會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。關于系統(tǒng)穩(wěn)定,很多資料有介紹,這里不詳細寫了。
3,開關電源輸出之后,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,不需要改變原有的反饋系統(tǒng),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。
對比曲線上圖的曲線和左圖的波形,可以看出對幾百KHz的開關紋波,LDO的抑制效果非常好。但在高頻范圍內,該LDO的效果就不那么理想了。
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 工程師,簡單的可以參考美國國半公司的AN1229:SIMPLE SWITCHER PCB Layout Guidelines, (網上有翻譯的中文摘要)
對于高頻噪聲,由于頻率高幅值較大,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
二極管高速導通截止時,要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復期間,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緩沖網絡。電阻一般取10Ω-100 Ω,電容取4.7pF-2.2nF。
詳細的解釋可參考資料1和2。
在二極管上并聯(lián)的電容C或者RC,其取值要經過反復試驗才能確定。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。關于軟開關,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。針對產生噪聲的頻率,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際的要求。比較簡單的做法,不再詳細解釋。
保定市四北電子有限公司電力自動化設備專用電源;通訊領域專用電源;電力測試儀器專用電源;開關電源等等。
【上一個】 開關電源紋波的產生 | 【下一個】 開關電源設計的方法 |