開關(guān)電源的常見五種紋波噪聲抑制

DCDC常見問題之輸出紋波大DCDC在目前的電子產(chǎn)品中使用越來越常見，但是出來的問題也越來越多，下面我們將介紹DCDC輸出常見的問題。該問題是一個(gè)系列，今天我們介紹的是DCDC設(shè)計(jì)時(shí)，DCDC輸出電壓紋波的介紹以及如何去改善。紋波電源輸出交流紋波可以視為是直流輸出疊加一個(gè)交流成份;從圖中可以看出，紋波中包括了兩個(gè)交流成份：一個(gè)是頻率為兩倍工頻輸入電壓的正弦波，這是由交流輸入整流電路引起的

電源紋波指標(biāo)是開關(guān)電源模塊或者 DC/DC 的一項(xiàng)很重要的參數(shù)。電源紋波可以理解為電源模塊包括 VRM 的輸出電壓的波動(dòng)，和復(fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)無關(guān)，或者說是電源輸出的源端的電壓的波動(dòng)。電源噪聲則是指電源模塊工作在實(shí)際產(chǎn)品系統(tǒng)中，經(jīng)過供電分布網(wǎng)絡(luò)將電源能量輸送到芯片管腳處，在芯片管腳處的電壓的波動(dòng)，或者簡單說是電源輸出的末端的電壓的波動(dòng)。電源噪聲從輸出端經(jīng)過供電網(wǎng)路 (PDN) 傳輸后到芯片管腳除了電源本身的紋波之外可能增加或者耦合進(jìn)了其它電路部件的干擾比如時(shí)鐘的串?dāng)_，以及電路本身工作過程中帶來的其他噪聲。

一、前言

通俗來說，直流電源輸出上疊加的與電源開關(guān)頻率同頻的波動(dòng)為紋波，高頻雜音為噪聲。具體如下圖所示，頻率較低且有規(guī)律的波動(dòng)為紋波，尖峰部分為噪聲。

二、紋波測(cè)量

1、探頭選擇與測(cè)量位置

探頭要選擇合適的檔位，如果電壓比較大，或者對(duì)帶寬要求比較高的情況下可使用X10檔，普通情況下建議使用X1檔，10:1的探頭會(huì)把被測(cè)信號(hào)衰減10倍，然后示波器再對(duì)被測(cè)信號(hào)進(jìn)行10倍放大，而此時(shí)示波器的本底噪聲也被放大。大多數(shù)情況下使用X1檔避免不必要的噪聲衰減影響紋波的測(cè)量

低頻紋波

低頻紋波是與輸出電路的濾波電容容量相關(guān)。由于開關(guān)電源體積的限制，電解電容的容量不可能無限制地增加，導(dǎo)致輸出低頻紋波的殘留，該輸出紋波頻率隨整流電路方式的不同而不同。

一般的開關(guān)電源由AC/DC和DC/DC兩部分組成。AC/DC的基本結(jié)構(gòu)為整流濾波電路，它輸出的直流電壓中含有交流低頻紋波，其頻率為輸入交流電源頻率的二倍，幅值與電源輸出功率及濾波電容容量有關(guān)，一般控制在10%以內(nèi)。該交流紋波經(jīng)DC/DC變換器衰減后，在開關(guān)電源輸出端表現(xiàn)為低頻噪聲，其大小由DC/DC變換器的變比和控制系統(tǒng)的增益決定。

(低頻紋波)

例如：對(duì)普通24V電源來說，電壓型控制DC/DC變換器的紋波抑制比一般為45～50dB，其輸出端的低頻交流紋波有效值為60～120mV。電流型控制DC/DC變換器的紋波抑制比稍有提高，但其輸出端的低頻交流紋波仍較大。若要實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的低紋波輸出，則必須對(duì)低頻電源紋波采取濾波措施。可采用前級(jí)預(yù)穩(wěn)壓和增大DC/DC變換器閉環(huán)增益來消除。

2低頻紋波的抑制

a、加大輸出低頻濾波的電感，電容參數(shù)，使低頻紋波降低到所需的指標(biāo)。

b、采用前饋控制方法，降低低頻紋波分量。

3高頻紋波

高頻紋波噪聲來源于高頻功率開關(guān)變換電路，在電路中，通過功率器件對(duì)輸入直流電壓進(jìn)行高頻開關(guān)變換而后整流濾波再實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的，在其輸出端含有與開關(guān)工作頻率相同頻率的高頻紋波，其對(duì)外電路的影響大小主要和開關(guān)電源的變換頻率、輸出濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)，設(shè)計(jì)中盡量提高功率變換器的工作頻率，可以減少對(duì)高頻開關(guān)紋波的濾波要求。

(高頻紋波)

4高頻紋波的抑制

a、提高開關(guān)電源工作頻率，以提高高頻紋波頻率，有利于抑制輸出高頻紋波。

b、加大輸出高頻濾波器，可以抑制輸出高頻紋波。

c、采用多級(jí)濾波。

5 共模紋波噪聲

由于功率器件與散熱器底板和變壓器原、副邊之間存在寄生電容，導(dǎo)線存在寄生電感，因此當(dāng)矩形波電壓作用于功率器件時(shí)，開關(guān)電源的輸出端因此會(huì)產(chǎn)生共模紋波噪聲。減小與控制功率器件、變壓器與機(jī)殼地之間的寄生電容，并在輸出側(cè)加共模抑制電感及電容，可減小輸出的共模紋波噪聲。

6共模紋波噪聲

a.輸出采用專門設(shè)計(jì)的EMI濾波器

b.降低開關(guān)毛刺幅度

7超高頻諧振噪聲

超高頻諧振噪聲主要來源于高頻整流二極管反向恢復(fù)時(shí)二極管結(jié)電容、功率器件開關(guān)時(shí)功率器件結(jié)電容與線路寄生電感的諧振，頻率一般為1～10MHz，通過選用軟恢復(fù)特性二極管、結(jié)電容小的開關(guān)管和減少布線長度等措施可以減少超高頻諧振噪聲。

(超高頻諧振噪聲)

8超高頻諧振噪聲的抑制

通過選用軟恢復(fù)特性二極管、結(jié)電容小的開關(guān)管和減少布線長度等措施可以減少超高頻諧振噪聲。

9閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲

開關(guān)電源都需對(duì)輸出電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)的不適當(dāng)也會(huì)引起紋波。當(dāng)輸出端波動(dòng)時(shí)通過反饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入調(diào)節(jié)器回路，可能導(dǎo)致調(diào)節(jié)器的自激振蕩，引起附加紋波。此紋波電壓一般沒有固定的頻率。

(閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲)

10閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲的抑制

在開關(guān)直流電源中，往往因調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇不適當(dāng)會(huì)引起輸出紋波的增大，這部分紋波可通過以下方法進(jìn)行抑制。

a、在調(diào)節(jié)器輸出增加對(duì)地的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)器的補(bǔ)償可抑制調(diào)節(jié)器自激引起的紋波增大。

b、合理選擇閉環(huán)調(diào)節(jié)器的開環(huán)放大倍數(shù)和閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，開環(huán)放大倍數(shù)過大有時(shí)會(huì)引起調(diào)節(jié)器的振蕩或自激，使輸出紋波含量增加，過小的開環(huán)放大倍數(shù)使輸出電壓穩(wěn)定性變差及紋波含量增加，所以調(diào)節(jié)器的開環(huán)放大倍數(shù)及閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)要合理選取，調(diào)試中要根據(jù)負(fù)載狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)。

c、在反饋通道中不增加純滯后濾波環(huán)節(jié)，使延時(shí)滯后降到最小，以增加閉環(huán)調(diào)節(jié)的快速性和及時(shí)性，對(duì)抑制輸出電壓紋波是有益的。