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教學:DC-DC轉化中紋波抑制的方法

2022-08-23
來源:嵌入式應用開發

  在DC-DC轉化過程中會產生紋波,由于布局的差異相同的電路原理圖也會產生不同的紋波,因此在PCB layout之后需要測試紋波信號。這里那一個實例來作說明。

  這是原版的紋波信號,如下圖:

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  紋波150mv左右,經過改良之后紋波10mv,如下圖:(此處測量的是DC5V的位置,非特殊要求,一般我們認為紋波小于50mv即可)

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  1、加大電感和輸出電容濾波

  根據開關電源的公式,電感內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。

  同樣,輸出紋波與輸出電容的關系: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一個陶瓷電容,來彌補鋁電解電容的不足。

  同時,開關電源工作時,輸入端的電壓Vin不變,但是電流是隨開關變化的。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),并聯電容來提供電流。

  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;增加開關頻率,又會增加開關損失。所以在要求比較嚴格時,這種方法并不是很好。關于開關電源的原理等,可以參考各類開關電源設計手冊。

  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,根據要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構成濾波電路,一般能夠很好的減小紋波。

  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,當有電流輸出時,在電感上會有壓降產生,導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內部引入了一個電感和一個電容,有可能會導致系統不穩定。關于系統穩定,很多資料有介紹,這里不詳細寫了。

  3、開關電源輸出之后,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,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:噪音抑制比。是一條頻率-dB曲線,如右圖是凌特公司LT3024的曲線。

  對減小紋波。開關電源的PCB布線也非常關鍵,這是個很赫手的問題。有專門的開關電源PCB 工程師,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,或串聯電感。

  4、在二極管上并電容C或RC

  二極管高速導通截止時,要考慮寄生參數。在二極管反向恢復期間,等效電感和等效電容成為一個RC振蕩器,產生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩,需在二極管兩端并聯電容C或RC緩沖網絡。電阻一般取10Ω-100 Ω,電容取4.7pF-2.2nF。

  在二極管上并聯的電容C或者RC,其取值要經過反復試驗才能確定。如果選用不當,反而會造成更嚴重的振蕩。

  對高頻噪聲要求嚴格的話,可以采用軟開關技術。關于軟開關,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。



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