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[導(dǎo)讀]本文主要介紹開關(guān)電源紋波噪聲的產(chǎn)生及如何降低。

之前的文章《信號(hào)完整性系列之“PI”》介紹了電源完整性的概念,本文主要介紹如何降低電源紋波和噪聲。開關(guān)電源的輸出紋波噪聲主要來源于五個(gè)方面:輸入的低頻紋波、SSN高頻紋波、寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲、功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲和閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。

紋波噪聲的產(chǎn)生

隨著SWITCH的開關(guān),電感中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動(dòng)的。所以在輸出端也會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與SWITCH同頻率的紋波,一般所說的紋波就是指這個(gè)。它與輸出電容的容量和ESR有關(guān)系。這個(gè)紋波的頻率與開關(guān)電源相同,為幾十到幾百KHz,MOS開關(guān)能到幾MHz。
另外,SWITCH一般選用雙極性晶體管或者M(jìn)OSFET,不管是哪種,在其導(dǎo)通和截止的時(shí)候,都會(huì)有一個(gè)上升時(shí)間和下降時(shí)間。這時(shí)候在電路中就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)與SWITCH上升下降時(shí)間的頻率相同或者奇數(shù)倍頻的噪聲,一般為幾十MHz。同樣二極管D在反向恢復(fù)瞬間,其等效電路為電阻電容和電感的串聯(lián),會(huì)引起諧振,產(chǎn)生的噪聲頻率也為幾十MHz。這兩種噪聲一般叫做高頻噪聲,幅值通常要比紋波大得多。
如果是AC/DC變換器,除了上述兩種紋波(噪聲)以外,還有AC噪聲,頻率是輸入AC電源的頻率,為50~60Hz左右。還有一種共模噪聲,是由于很多開關(guān)電源的功率器件使用外殼作為散熱器,產(chǎn)生的等效電容導(dǎo)致的。
紋波噪聲的抑制
紋波和噪聲從理論上和實(shí)際上都是存在的,很難消除,因此一般都是采取措施抑制或者減小紋波噪聲,將其控制在芯片可接受的范圍內(nèi)。常見的一些紋波噪聲抑制措施如下:

  • 加大電感和輸出電容濾波
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,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。紋波電流△I可由下式算出:

可以看出,增加L值,或者提高開關(guān)頻率可以減小電感內(nèi)的電流波動(dòng)。
同樣,輸出紋波與輸出電容的關(guān)系:

可以看出,加大輸出電容值可以減小紋波。
通常的做法,對(duì)于輸出電容,使用鋁電解電容以達(dá)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(huì)在它旁邊并聯(lián)一個(gè)陶瓷電容,來彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。
同時(shí),開關(guān)電源工作時(shí),輸入端的電壓Vin不變,但是電流是隨開關(guān)變化的。這時(shí)輸入電源不會(huì)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(lián)電容來提供電流。
應(yīng)用該對(duì)策后,BUCK型開關(guān)電源如下圖所示:


上面這種做法對(duì)減小紋波的作用是有限的。因?yàn)轶w積限制,電感不會(huì)做的很大;輸出電容增加到一定程度,對(duì)減小紋波就沒有明顯的效果了;增加開關(guān)頻率,又會(huì)增加開關(guān)損失。
  • 二級(jí)濾波
二級(jí)濾波,就是再加一級(jí)LC濾波器。LC濾波器對(duì)噪聲紋波的抑制作用比較明顯,根據(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構(gòu)成濾波電路,一般能夠很好的減小紋波。但是,這種情況下需要考慮反饋比較電壓的采樣點(diǎn)。

采樣點(diǎn)選在LC濾波器之前(Pa),輸出電壓會(huì)降低。因?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋€(gè)直流電阻,當(dāng)有電流輸出時(shí),在電感上會(huì)有壓降產(chǎn)生,導(dǎo)致電源的輸出電壓降低。而且這個(gè)壓降是隨輸出電流變化的。
采樣點(diǎn)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(tǒng)內(nèi)部引入了一個(gè)電感和一個(gè)電容,有可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。
  • 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?cè)械姆答佅到y(tǒng),但也是成本最高,功耗最高的辦法,實(shí)際應(yīng)用中一般會(huì)采取前一級(jí)使用DC/DC,后一級(jí)使用LDO的方式。
任何一款LDO都有一項(xiàng)指標(biāo):噪音抑制比。經(jīng)過LDO之后,開關(guān)紋波一般在10mV以下。對(duì)幾百KHz的開關(guān)紋波,LDO的抑制效果非常好。但在高頻范圍內(nèi),該LDO的效果就不那么理想了。
對(duì)于減小紋波,開關(guān)電源的PCB布線也非常關(guān)鍵。
  • 在二極管上并電容C或RC(區(qū)別RC Snubber電路)
對(duì)于高頻噪聲,由于頻率高幅值較大,后級(jí)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(jiǎn)單的做法是在二極管上并電容C或RC,或串聯(lián)電感。

上圖是實(shí)際用二極管的等效電路。二極管高速導(dǎo)通截止時(shí),要考慮寄生參數(shù)。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。
在二極管上并聯(lián)的電容C或者RC,其取值要經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)才能確定。如果選用不當(dāng),反而會(huì)造成更嚴(yán)重的振蕩。
對(duì)高頻噪聲要求嚴(yán)格的話,可以采用軟開關(guān)技術(shù)。
  • 二極管后接電感(EMI濾波)
這是常用的抑制高頻噪聲的方法。針對(duì)產(chǎn)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(shí)際的要求。
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