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開關(guān)電源紋波的抑制
2012-08-05
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。
上面這種做法對減小紋波的作用是有限的。因?yàn)轶w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(guān)頻率，又會增加開關(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。
采樣點(diǎn)選在LC濾波器之前(Pa)，輸出電壓會降低。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(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(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)，反而會造成更嚴(yán)重的振蕩。
對高頻噪聲要求嚴(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。比較簡單的做法，不再詳細(xì)解釋。
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。
上面這種做法對減小紋波的作用是有限的。因?yàn)轶w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(guān)頻率，又會增加開關(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。
采樣點(diǎn)選在LC濾波器之前(Pa)，輸出電壓會降低。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(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(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)，反而會造成更嚴(yán)重的振蕩。
對高頻噪聲要求嚴(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。比較簡單的做法，不再詳細(xì)解釋。
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