開關(guān)電源的紋波測試及其改善方法

一.什么是紋波?

紋波(ripple)的定義是指在直流電壓或電流中,疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。

它主要有以下害處：

1.1.容易在用電器上產(chǎn)生諧波，而諧波會產(chǎn)生更多的危害;

1.2.降低了電源的效率;

1.3.較強的紋波會造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生，導(dǎo)致燒毀用電器;

1.4.會干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，影響其正常工作;

1.5.會帶來噪音干擾，使圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能正常工作。

二、紋波的表示方法

可以用有效值或峰值來表示，或者用絕對量、相對量來表示;

單位通常為：mV

例如：

一個電源工作在穩(wěn)壓狀態(tài),其輸出為12V5A，測得紋波的有效值為10mV，這10mV就是紋波的絕對量，而相對量即紋波系數(shù)=紋波電壓/輸出電壓=10mv/12V=0.12%。

三、紋波的測試方法

3.1.以20M示波器帶寬為限制標(biāo)準(zhǔn)，電壓設(shè)為PK-PK(也有測有效值的)，去除示波器控頭上的夾子與地線(因為這個本身的夾子與地線會形成環(huán)路，像一個天線接收雜訊，引入一些不必要的雜訊)，使用接地環(huán)(不使用接地環(huán)也可以，不過要考慮其產(chǎn)生的誤差)，在探頭上并聯(lián)一個10UF電解電容與一個0.1UF瓷片電容，用示波器的探針直接進行測試;如果示波器探頭不是直接接觸輸出點，應(yīng)該用雙絞線，或者50Ω同軸電纜方式測量。

四、開關(guān)電源紋波的主要分類

開關(guān)電源輸出紋波主要來源于五個方面：

4.1.輸入低頻紋波;

4.2.高頻紋波;

4.3.寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲;

4.4.功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲;

4.5.閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。

4.1、輸入低頻紋波:

低頻紋波是與輸出電路的濾波電容容量相關(guān)。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。

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。

電流型控制DC/DC變換器的紋波抑制比電壓型稍有提高。但其輸出端的低頻交流紋波仍較大。要實現(xiàn)開關(guān)電源的低紋波輸出，必須對低頻電源紋波采取濾波措施。

可采用前級預(yù)穩(wěn)壓和增大DC/DC變換器閉環(huán)增益來消除。

低頻紋波抑制的幾種常用的方法:

a、加大輸出低頻濾波的電感，電容參數(shù)。

●電容上的紋波有兩個成分,一個是充放電時的電壓升降量，一個是電流進出電容時ESR上的I*R電壓降量。

●通過輸出紋波與輸出電容的關(guān)系式：vripple=Imax/(Co×f)可以看出，加大輸出電容值可以減小紋波。

●或者考慮采用并聯(lián)的方式減小ESR值,或者使用LOW ESR電容。

b、采用前饋控制方法，降低低頻紋波分量。

●feed forward control (FFC) 前饋控制是按照擾動產(chǎn)生校正作用的一種調(diào)節(jié)方式，主要用于一些純滯后或容量滯后較大的被控參數(shù)的控制。

●其目的是加速系統(tǒng)響應(yīng)速度，改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

1、低頻紋波噪聲

主要是由于開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)的快速變化導(dǎo)致的。在開關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷過程中，電流和電壓的快速變化會產(chǎn)生低頻紋波噪聲。這種噪聲通常具有較低的頻率，但可能對電路性能產(chǎn)生較大影響。

抑制方法：

①加大輸出低頻濾波的電感和電容參數(shù)，使其降低到所需的指標(biāo);

②采取前反饋控制方法，降低低頻紋波分量。

2、高頻紋波噪聲

主要是由于開關(guān)電源內(nèi)部電路中的元件參數(shù)不匹配或寄生效應(yīng)導(dǎo)致的。例如，電容器的寄生電感、電阻器的寄生電容等都會產(chǎn)生高頻紋波噪聲。這種噪聲通常具有較高的頻率，但幅度相對較小。

抑制方法：

①采用多級濾波;

②加大輸出高頻濾波器，可抑制輸出高頻紋波;

③提高開關(guān)電源工作頻率，以此提高高頻紋波頻率。

3、共模紋波噪聲

是由于開關(guān)電源內(nèi)部電路中的元件之間存在電位差而產(chǎn)生的。當(dāng)開關(guān)電源工作在高頻時，電位差會導(dǎo)致電流在元件之間流動，從而產(chǎn)生共模紋波噪聲。這種噪聲對電路性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，需要采取措施進行抑制。

抑制方法：

①采取專門設(shè)計的EMI濾波器;

②降低開關(guān)刺幅度。

4、超高頻諧振噪聲

是由于開關(guān)電源內(nèi)部電路中的元件之間存在諧振效應(yīng)而產(chǎn)生的。當(dāng)開關(guān)電源工作在高頻時，元件之間的諧振效應(yīng)會導(dǎo)致電流和電壓的波動，從而產(chǎn)生超高頻諧振噪聲。這種噪聲對電路性能和穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響，需要采取措施進行抑制。

抑制方法：

①采用軟恢復(fù)特性二極管;

②使用結(jié)電容小的開關(guān)管;

③減少布線長度。

5、閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲

閉環(huán)調(diào)節(jié)控制是開關(guān)電源中常用的控制方法之一。然而，閉環(huán)調(diào)節(jié)控制可能會導(dǎo)致開關(guān)電源內(nèi)部電路中的元件參數(shù)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生紋波噪聲。這種噪聲通常具有較低的頻率，但可能對電路性能產(chǎn)生較大影響。

抑制方法：

①在調(diào)節(jié)器輸出增加對地的補償網(wǎng)絡(luò)，這是因為該補償可以抑制調(diào)節(jié)器自激引起的紋波增大問題;

②合理選擇閉環(huán)調(diào)節(jié)器的開環(huán)放大倍數(shù)和參數(shù)，最好根據(jù)負載狀況調(diào)節(jié);

③在反饋通道中不增加純滯后濾波環(huán)節(jié)，這樣做的好處是可以使延時滯后降到最低，以此增加閉環(huán)調(diào)節(jié)的快速性和及時性，對抑制輸出電壓紋波是有益的。