【電源】降低電源紋波的實(shí)例分析與應(yīng)用

【摘要】

本文以某單板在調(diào)試過程中的電源紋波過大問題，分析了開關(guān)DC/DC電源中紋波產(chǎn)生的原因、紋波大小的影響因素，在理論上分析了減小紋波的方法，并通過對實(shí)際電路參數(shù)的更改，降低了電源紋波值，將電源變的更加干凈。

一 理論分析

在開關(guān)電源中，影響紋波的因素有很多，包括開關(guān)頻率，續(xù)流電感，濾波電容，輸入輸出電壓，電源負(fù)載，環(huán)境溫度等。這些因素中對電源紋波的影響可能是相互加強(qiáng)也有可能是相互削弱，需要綜合考慮各方面的因素才能將紋波值降下來。而對于常用的電源芯片，芯片廠家都會給出這些影響因素的理論分析，通過這些分析我們可以找出紋波最主要的影響因素。通過下面的分析，可以看到紋波產(chǎn)生的影響因素有哪些：在開關(guān)電源中，輸出電壓經(jīng)過PWM波進(jìn)行斬波后，經(jīng)過電感進(jìn)行續(xù)流，在這個(gè)過程中產(chǎn)生一個(gè)脈動電流，再經(jīng)過電容濾波后對電壓進(jìn)行平滑，于是脈動電流在輸出電容的ESR上產(chǎn)生一個(gè)紋波電壓，同時(shí)脈動電流經(jīng)過輸出電容的充放電也會形成一個(gè)紋波電壓。

圖1：脈動電流與紋波電壓的關(guān)系圖

通過上圖可以看出，紋波電壓由兩部分組成，一部分是脈動電流在輸出電容ESR上產(chǎn)生的ΔVout-esr，另一部分是脈動電流在輸出電容充放電過程中產(chǎn)生的ΔVout-c。由于這兩部分紋波電壓并不完全同相，因此總的紋波電壓值要小于兩部分的代數(shù)和。那么如果要降低紋波電壓就需要從如何降低這兩部分紋波電壓入手。在圖2中可以定性的看出紋波電壓的組成，但是這足以得出如何改變電路參數(shù)來降低紋波電壓值，還需要定量的計(jì)算脈動電流和紋波電壓的值：1）脈動電流峰峰值，式一：

需要注意的是，此式中的占空比D在輸出電壓低于1.2V，輸出電流大于3A的情況下，需要考慮片內(nèi)MOSFET和片外電感的損耗，其計(jì)算公式近似為：

2）輸出電容ESR上產(chǎn)生的紋波電壓，式二：

3）輸出電容充放電產(chǎn)生的紋波電壓，式三：

通過上面所列出的三個(gè)公式可以得出下面的幾個(gè)結(jié)論：

1）增大開關(guān)頻率，增大續(xù)流電感可減小脈動電流；

2）在輸出電壓一定的情況下，減小輸入電壓可減小脈動電流；

3）減小輸出電容的ESR值，可減小紋波電壓；

4）增大輸出電容值可減小紋波電壓。

二實(shí)例分析

1、問題提出

在某單板中，1.0V電源采用的電源芯片為LM21305，為開關(guān)型DC/DC。單板測試時(shí)發(fā)現(xiàn)1.0V上的電源紋波約為12.0mV，雖然紋波的絕對值不大，且單板運(yùn)行正常。但是，紋波值達(dá)到的電壓值的1.2%，為了更使單板更加穩(wěn)定，試圖找出影響紋波的主要原因，并將紋波值減小。

圖2 1.0V電源上的紋波值

2、問題分析解決

先看一下單板上原有參數(shù)下的計(jì)算值：

（1）芯片開關(guān)頻率由于芯片的開關(guān)頻率可編程，可通過電阻進(jìn)行配置，其相對應(yīng)的關(guān)系如下：

式中，R=110K，理論可得F=451KHz，考慮到實(shí)際電阻誤差，根據(jù)示波器測得實(shí)際開關(guān)頻率F=464KHz.

（2）脈動電流峰峰值將F=464KHz，L=2.2μH，Vout=1.0V，Vpvin=5.0V代入式一可得：ΔiLp-p = 0.788A

（3）紋波電壓此單板中輸出電容是鉭電容和陶瓷電容的組合，輸出電容約為240μF。

根據(jù)廠家提供的信息，鉭電容的ESR最大約為25mΩ，陶瓷電容未提供ESR值。陶瓷電容的ESR值較低，那么按照25mΩ計(jì)算可得ΔVout-esr=19.7mV，ΔVout-c=0.88mV由于兩部分紋波電壓不同相，因此總的紋波電壓小于20.58mV。通過計(jì)算兩部分紋波電壓可看出，1.0V上的紋波電壓主要的影響因素是脈動電流在電容的ESR上產(chǎn)生的紋波電壓。那么，要降低這一部分的紋波電壓，就要改變開關(guān)頻率、輸出電容以及電感中的一個(gè)或幾個(gè)參數(shù)值。由于單板中的輸出電容是鉭電容，其ESR值已經(jīng)比較小了，選用其他類型電容的優(yōu)勢不明顯，另一方面，受封裝、庫存及負(fù)載電流的限制，電感值也不太好更換。相對來說，器件的開關(guān)頻率容易改變，只需改變電阻值就可。

根據(jù)前面的分析，提高開關(guān)頻率可降低脈動電流的值，也就可以降低紋波電壓的值。將開關(guān)頻率配置電阻改為56K，理論可得F=827.9KHz，考慮到實(shí)際電阻誤差，根據(jù)示波器測得實(shí)際開關(guān)頻率約為F=854KHz。同時(shí)將L=2.2μH，Vout=1.0V，Vpvin=5.0V代入式一可得：ΔiLp-p = 0.426A同樣可計(jì)算出：ΔVout-esr=10.65mV，ΔVout-c=0.28mV經(jīng)過對比，開關(guān)頻率的提高對降低紋波電壓的效果明顯。通過計(jì)算和測量可看出，兩者之間有一定的數(shù)據(jù)差距。這主要是計(jì)算中的數(shù)據(jù)有一些是近似值，另一方面測量的結(jié)果也有一定的誤差。但是這并不影響我們評估紋波電壓產(chǎn)生的主要渠道以及影響紋波電壓的主要因素，并通過實(shí)踐來評估效果。更改開關(guān)頻率后測得的紋波電壓如下圖：

圖2 更改開關(guān)頻率后1.0V電源上的紋波值

三經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

紋波是板上電源一個(gè)很重要的參數(shù)，如何將紋波在合理的設(shè)計(jì)下降至最低是每個(gè)電源電路需要重點(diǎn)考慮的。雖然各種開關(guān)電源的設(shè)計(jì)參數(shù)不同，但是影響紋波的因素基本上都有開關(guān)頻率，濾波電感，輸出電容，那么減小紋波電壓的過程其實(shí)也就是對上述幾個(gè)參數(shù)進(jìn)行匹配選擇的過程。

1 開關(guān)頻率，此值越大，可將脈沖電流值降低，也就可以減小紋波電壓。但是頻率越高，也就對單板產(chǎn)生越大的干擾，對EMI會有一定的影響。

2 電感，需要根據(jù)實(shí)際情況下的負(fù)載電流值及開關(guān)頻率來選擇，在合理的選擇區(qū)間內(nèi)選擇較大的電感可降低脈動電流。

3 輸出電容，需要選擇低ESR和高容量的器件。并且優(yōu)先選擇溫度特性好的電容，這樣可使得溫度變化大的環(huán)境下紋波值不至于過大。

審核編輯 黃昊宇