測試電源紋波及抑制電源紋波的方法

在開關(guān)電源中，穩(wěn)定直流信號(hào)中交流紋波的疊加通常都是工程師苦惱的問題，那么我們?nèi)绾蝸頊p小和抑制紋波噪聲呢?

什么是電源紋波，它是如何產(chǎn)生的呢?

隨著開關(guān)電源的發(fā)展，越來越多的傳統(tǒng)線性電源被其優(yōu)越的性能替代，然而開關(guān)電源的輸出紋波一直是令工程師頭疼的問題，那么什么是電源紋波，它又是如何產(chǎn)生的呢?我們知道，開關(guān)電源輸出的直流電壓是由交流電壓經(jīng)整流、濾波、穩(wěn)壓后得到的。由于電路中濾波電路設(shè)計(jì)不盡合理，直流電平之上就會(huì)附著包含周期且隨機(jī)的雜波，這就產(chǎn)生了紋波。在額定輸出電壓、電流的情況下，輸出直流電壓中的交流電壓的峰值就是通常所說的紋波電壓。簡單來說，紋波就是疊加在穩(wěn)定直流輸出上的交流成分。

圖 1 開關(guān)電源主要結(jié)構(gòu)

測試電源紋波及抑制電源紋波的方法

開關(guān)電源中攜帶的紋波會(huì)在降低電源的使用效率，較高的紋波還可能會(huì)產(chǎn)生浪涌電壓或電流，并且在數(shù)字電路中紋波還會(huì)干擾電路邏輯電平關(guān)系，是百害無一利的;在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)的過程中，我們不僅需要正確地測量紋波，并且要盡可能將紋波降低。

測量紋波的正確方法，通常需要以下幾個(gè)步驟：

1. 首先探頭要選擇合適的檔位，普通情況下建議使用X1檔，避免不必要的噪聲衰減影響紋波的測量;

2. 選擇通道耦合方式為AC耦合，限制直流信號(hào)的輸入;

3. 打開示波器的“帶寬限制”功能，選擇“20MHz”帶寬限制，將不必要的高頻噪聲濾除;

4. 為避免電磁輻射等對(duì)信號(hào)的干擾，在測量時(shí)建議使用“接地彈簧”接地，避免長接地線帶來的不必要干擾;

5. 調(diào)整水平時(shí)基，垂直檔位及偏移，使紋波信號(hào)在屏幕的中央顯示(圖2藍(lán)框內(nèi)所示為示波器紋波測試結(jié)果)。

圖 2 示波器測試紋波結(jié)果

為了有效減小紋波，在電路設(shè)計(jì)時(shí)，可以從以下幾個(gè)方面來改善：

1. 增大電感或開關(guān)頻率

根據(jù)開關(guān)電源的公式，電感內(nèi)電流波動(dòng)大小和電感值成反比，可以提高開關(guān)頻率，使每次傳遞的能量減小從而減小紋波(但增加開關(guān)頻率，也會(huì)增加開關(guān)損耗)，或增大傳遞能量的電感值L，使電流的突變峰值降低，從而減小紋波的波動(dòng)幅度。

圖 3 電感內(nèi)電流波形

2. 增大電容

由輸出紋波和輸出電容值成反比，可以增加輸出濾波電容來減小紋波，不能無限加大電容，大多數(shù)開關(guān)電源模塊有最大容性負(fù)載限制。也可以在二極管和開關(guān)管上并電容C 或RC(如圖4 ，D2、Q1所示)，二極管在高速導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，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。

圖 4 開關(guān)電源電路

3. 開關(guān)電源輸出之后，增加穩(wěn)壓器

在開關(guān)電源或模塊電源輸出后再加一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)能大幅度地降低輸出噪聲，以滿足對(duì)噪聲特別有要求的電路需要，輸出噪聲可達(dá)μV級(jí)。由于LDO的壓差(輸入與輸出電壓的差值)僅幾百mV，則在開關(guān)電源的輸出略高于LDO幾百mV就可以輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓了，并且其損耗也不大。

4. 規(guī)范的PCB 布線

在同一塊PCB上可能有多個(gè)模塊電源一起工作。若模塊電源是不屏蔽的、并且靠得很近，則可能相互干擾使輸出噪聲電壓增加。為避免這種相互干擾可采用屏蔽措施或?qū)⑵溥m當(dāng)遠(yuǎn)離，減少其相互影響的干擾。如輸出電容一般可采用兩只，一只靠近整流管，另一只靠近輸出端子的方式，兩只小容量電容并聯(lián)效果優(yōu)于一只大容量電容的方式，多個(gè)電容器并聯(lián)能改善電容的高頻阻抗特性。

總結(jié)

在電源設(shè)計(jì)中，可采用上述方式來降低紋波，但是多多少少都是利弊共存，需要權(quán)衡最需要改善的點(diǎn)來選擇合適的方案，當(dāng)然也可以選擇現(xiàn)成的穩(wěn)定成品電源，其中的濾波電路、隔離部分等都已經(jīng)高度集成于一體。 致遠(yuǎn)電子基于近二十年的電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)積累，自主研發(fā)設(shè)計(jì)自主電源IC，打造全工況優(yōu)選型DC-DC電源，滿足所有工況需求，為用戶提供穩(wěn)定、優(yōu)質(zhì)的供電解決方案。P系列隔離基于自主研發(fā)的開關(guān)電源芯片ZLG1002，相較于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，紋波噪聲低至40mV，為用戶打造高可靠性供電環(huán)境。還實(shí)現(xiàn)了低至5mA的靜態(tài)電流，待機(jī)功耗僅為25mW，待機(jī)如休眠般靜謐，可有效降低待機(jī)時(shí)能量損失。

原文標(biāo)題：一文看懂：如何抑制開關(guān)電源的輸出紋波?

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審核編輯：湯梓紅