原创开关电源纹波测量和抑制方法

 2020-9-18 14:03  1563 12 12 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。

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：

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：

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）

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。

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：

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

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。
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