原创开关电源纹波测量和抑制方法

 2020-9-18 14:03  1914 26 26 分类: 测试测量

开关稳压电源非常关键的一个指标就是纹波，它主要是由开关变换的方式导致的，也因纹波的存在会影响到后续电路的工作，尤其是在对纹波比较敏感的场合下。如何正确测量开关电源纹波？如何有效抑制开关电源的纹波以达到供电电路的要求？这些都是PCB设计工程师需要掌握的重要技能。 开关电源纹波的测量 要有效降低开关电源输出纹波我们首先得有个比较靠谱的测试方法，不能是由于测试方法的问题而导致的假波形是整改不好的 基本要求：使用示波器AC 耦合，20MHz 带宽限制，拔掉探头的地线 1，AC 耦合是去掉叠加的直流电压，得到准确的波形。 2，打开20MHz 带宽限制是防止高频噪声的干扰，防止测出错误的结果。因为高频成分幅值较大，测量的时候应除去。 3，拔掉示波器探头的接地夹，使用接地环测量，是为了减少干扰。很多部门没有接地环，如果误差允许也直接用探头的接地夹测量。但在判断是否合格时要考虑这个因素。 还有一点是要使用50Ω 终端。横河示波器的资料上介绍说，50Ω 模块是除去DC 成分，精确测量AC 成分。但是很少有示波器配这种专门的探头，大多数情况是使用标配100KΩ 到10MΩ 的探头测量，影响暂时不清楚。 上面是测量开关纹波时基本的注意事项。如果示波器探头不是直接接触输出点，应该用双绞线，或者50Ω 同轴电缆方式测量。 在测量高频噪声时，使用示波器的全通带，一般为几百兆到GHz 级别。其他与上述相同。 可能不同的公司有不同的测试方法。归根到底第一要清楚自己的测试结果。第二要得到客户认可。 关于示波器： 有些数字示波器因为干扰和储存深度的原因，无法正确的测量出纹波。这时应更换示波器。这方面有时候虽然老的模拟示波器带宽只有几十兆，但表现要比数字示波器好。 开关电源纹波的抑制 对于开关纹波，理论上和实际上都是一定存在的。通常抑制或减少它的做法有五种： 1，加大电感和输出电容滤波 根据开关电源的公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。 <img id="aimg_J6MO2" class="zoom" file="https:////5b0988e595225.cdn.sohucs.com/q_70,c_zoom,w_640/images/20181206/047a28592dad4a548250ee6be7f907d6.webp" lazyloadthumb="1" border="0" alt="" src="https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/q_70,c_zoom,w_640/images/20181206/047a28592dad4a548250ee6be7f907d6.webp" lazyloaded="true" _load="1" width="318" height="172" style="overflow-wrap: break-word; cursor: pointer; max- height: auto; color: rgb(51, 51, 51); 微软雅黑; font-size: 16px; background-color: rgb(255, 255, 255);"> 上图是开关电源电感L内的电流波形，其纹波电流△I可由下式算出： <img id="aimg_lMma3" class="zoom" file="https:////5b0988e595225.cdn.sohucs.com/q_70,c_zoom,w_640/images/20181206/019ca3dfa2a64b5389b42fbd00c82435.webp" lazyloadthumb="1" border="0" alt="" src="https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/q_70,c_zoom,w_640/images/20181206/019ca3dfa2a64b5389b42fbd00c82435.webp" lazyloaded="true" _load="1" width="229" height="57" style="overflow-wrap: break-word; cursor: pointer; max- height: auto; color: rgb(51, 51, 51); 微软雅黑; font-size: 16px; background-color: rgb(255, 255, 255);"> 可以看出，增加L值，或者提高开关频率可以减小电感内的电流波动。 同样，输出纹波与输出电容的关系：vripple=Imax/(Co×f)。可以看出，加大输出电容值可以减小纹波。 通常的做法，对于输出电容，使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且ESR 也比较大，所以会在它旁边并联一个陶瓷电容，来弥补铝电解电容的不足。 同时，开关电源工作时，输入端的电压Vin 不变，但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流，通常在靠近电流输入端(以BucK 型为例，是SWITcH 附近)，并联电容来提供电流。 上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大；输出电容增加到一定程度，对减小纹波就没有明显的效果了；增加开关频率，又会增加开关损失。所以在要求比较严格时，这种方法并不是很好。关于开关电源的原理等，可以参考各类开关电源设计手册。 应用该对策后，BUCK型开关电源如下图所示： <img id="aimg_FT8G6" class="zoom" width="600" file="https:////5b0988e595225.cdn.sohucs.com/q_70,c_zoom,w_640/images/20181206/f4c3afe7c73747eb985cb3063cfd0b94.webp" border="0" alt="" src="https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/q_70,c_zoom,w_640/images/20181206/f4c3afe7c73747eb985cb3063cfd0b94.webp" lazyloaded="true" _load="1" style="overflow-wrap: break-word; cursor: pointer; max- height: auto; color: rgb(51, 51, 51); 微软雅黑; font-size: 16px; background-color: rgb(255, 255, 255);"> 上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大；输出电容增加到一定程度，对减小纹波就没有明显的效果了；增加开关频率，又会增加开关损失。所以在要求比较严格时，这种方法并不是很好。 关于开关电源的原理等，可以参考各类开关电源设计手册。 2，二级滤波，就是再加一级LC 滤波器 LC 滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显，根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路，一般能够很好的减小纹波。 但是，这种情况下需要考虑反馈比较电压的采样点。（如下图所示） <img id="aimg_TQh0q" class="zoom" width="600" file="https:////5b0988e595225.cdn.sohucs.com/q_70,c_zoom,w_640/images/20181206/d2c942bb73ba4074a86b32067fdbb8b7.webp" border="0" alt="" src="https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/q_70,c_zoom,w_640/images/20181206/d2c942bb73ba4074a86b32067fdbb8b7.webp" lazyloaded="true" _load="1" style="overflow-wrap: break-word; cursor: pointer; max- height: auto; color: rgb(51, 51, 51); 微软雅黑; font-size: 16px; background-color: rgb(255, 255, 255);"> 采样点选在LC 滤波器之前(Pa)，输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻，当有电流输出时，在电感上会有压降产生，导致电源的输出电压降低。而且这个压降是随输出电流变化的。 采样点选在LC 滤波器之后(Pb)，这样输出电压就是我们所希望得到的电压。但是这样在电源系统内部引入了一个电感和一个电容，有可能会导致系统不稳定。关于系统稳定，很多资料有介绍，这里不详细写了。 3，开关电源输出之后，接LDO 滤波 这是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也是成本最高，功耗最高的办法。 任何一款LDO 都有一项指标：噪音抑制比。是一条频率-dB 曲线，如右图是凌特公司LT3024 的曲线。 <img id="aimg_bl8Bm" class="zoom" file="https:////5b0988e595225.cdn.sohucs.com/q_70,c_zoom,w_640/images/20181206/80cad90f38034a52b5ea5003e2b3bf3d.webp" lazyloadthumb="1" border="0" alt="" src="https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/q_70,c_zoom,w_640/images/20181206/80cad90f38034a52b5ea5003e2b3bf3d.webp" lazyloaded="true" _load="1" width="321" height="307" style="overflow-wrap: break-word; cursor: pointer; max- height: auto; color: rgb(51, 51, 51); 微软雅黑; font-size: 16px; background-color: rgb(255, 255, 255);"> 经过LDO之后，开关纹波一般在10mV以下。 下图是LDO前后的纹波对比： <img id="aimg_uL8tX" class="zoom" file="https:////5b0988e595225.cdn.sohucs.com/q_70,c_zoom,w_640/images/20181206/93df61c6107149b6b59b8c7cb86758d4.webp" lazyloadthumb="1" border="0" alt="" src="https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/q_70,c_zoom,w_640/images/20181206/93df61c6107149b6b59b8c7cb86758d4.webp" lazyloaded="true" _load="1" width="316" height="223" style="overflow-wrap: break-word; cursor: pointer; max- height: auto; color: rgb(51, 51, 51); 微软雅黑; font-size: 16px; background-color: rgb(255, 255, 255);"> 对比曲线上图的曲线和左图的波形，可以看出对几百KHz的开关纹波，LDO的抑制效果非常好。但在高频范围内，该LDO的效果就不那么理想了。 对减小纹波。开关电源的PCB布线也非常关键，这是个很赫手的问题。有专门的开关电源PCB 工程师，对于高频噪声，由于频率高幅值较大，后级滤波虽然有一定作用，但效果不明显。这方面有专门的研究，简单的做法是在二极管上并电容C 或RC，或串联电感。 对于高频噪声，由于频率高幅值较大，后级滤波虽然有一定作用，但效果不明显。这方面有专门的研究，简单的做法是在二极管上并电容C或RC，或串联电感。 4，在二极管上并电容C 或RC <img id="aimg_jeS6E" class="zoom" file="https:////5b0988e595225.cdn.sohucs.com/q_70,c_zoom,w_640/images/20181206/06c7e5e1f2f34754b4912e3a56536192.webp" lazyloadthumb="1" border="0" alt="" src="https://5b0988e595225.cdn.sohucs.com/q_70,c_zoom,w_640/images/20181206/06c7e5e1f2f34754b4912e3a56536192.webp" lazyloaded="true" _load="1" width="207" height="96" style="overflow-wrap: break-word; cursor: pointer; max- height: auto; color: rgb(51, 51, 51); 微软雅黑; font-size: 16px; background-color: rgb(255, 255, 255);"> 二极管高速导通截止时，要考虑寄生参数。在二极管反向恢复期间，等效电感和等效电容成为一个RC 振荡器，产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡，需在二极管两端并联电容C或RC 缓冲网络。电阻一般取10Ω-100Ω，电容取4.7pF-2.2nF。 在二极管上并联的电容C 或者RC，其取值要经过反复试验才能确定。如果选用不当，反而会造成更严重的振荡。 对高频噪声要求严格的话，可以采用软开关技术。关于软开关，有很多书专门介绍。 5，二极管后接电感（EMI 滤波） 这也是常用的抑制高频噪声的方法。针对产生噪声的频率，选择合适的电感元件，同样能够有效地抑制噪声。需要注意的是，电感的额定电流要满足实际的要求。 小结 以上是关于开关电源纹波，总结的一些内容，如果能加些波形就更好了。虽然可能不太全，但对一般的应用已经足够了。关于噪声抑制，实际中并不一定全部应用，重要的是根据自己的设计要求，比如产品体积，成本，开发周期等，选择合适的方法。 本文由安泰仪器维修中心网整理，更多关注公众号：安泰测试

工程师专属征文！分享知识经验，就能拿奖励～