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。
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。
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)一個陶瓷電容,來彌補鋁電解電容的不足。
同時,開關(guān)電源工作時,輸入端的電壓Vin不變,但是電流是隨開關(guān)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。
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(guān)頻率,又會增加開關(guān)損失。所以在要求比較嚴(yán)格時,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。(如下圖所示)
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(dāng)有電流輸出時,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(nèi)部引入了一個電感和一個電容,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都有一項指標(biāo):噪音抑制比。是一條頻率-dB曲線,如下圖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前后的紋波對比:
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(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。
對減小紋波。開關(guān)電源的PCB布線也非常關(guān)鍵,這是個很赫手的問題。有專門的開關(guān)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(wǎng)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
上圖是實際用二極管的等效電路。二極管高速導(dǎo)通截止時,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-100 Ω,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際的要求。比較簡單的做法,不再詳細(xì)解釋。
五、小結(jié)
以上是關(guān)于開關(guān)電源紋波,總結(jié)的一些內(nèi)容,如果能加些波形就更好了。雖然可能不太全,但對一般的應(yīng)用已經(jīng)足夠了。關(guān)于噪聲抑制,實際中并不一定全部應(yīng)用,重要的是根據(jù)自己的設(shè)計要求,比如產(chǎn)品體積,成本,開發(fā)周期等,選擇合適的方法。容-源-電-子-網(wǎng)-為你提供技術(shù)支持
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