開關(guān)電源紋波產(chǎn)生分析測(cè)量
隨著SWITCH 的開關(guān)，電感L 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。
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。因?yàn)楸救耸亲銎囯娮友邪l(fā)的，對(duì)于后兩種噪聲接觸較少，所以暫不考慮。
開關(guān)電源紋波的測(cè)量
基本要求：使用示波器AC 耦合，20MHz 帶寬限制，拔掉探頭的地線
1，AC 耦合是去掉疊加的直流電壓，得到準(zhǔn)確的波形。
2，打開20MHz 帶寬限制是防止高頻噪聲的干擾，防止測(cè)出錯(cuò)誤的結(jié)果。因?yàn)楦哳l成分幅值較大，測(cè)量的時(shí)候應(yīng)除去。
3，拔掉示波器探頭的接地夾，使用接地環(huán)測(cè)量，是為了減少干擾。很多部門沒有接地環(huán)，如果誤差允許也直接用探頭的接地夾測(cè)量。但在判斷是否合格時(shí)要考慮這個(gè)因素。
還有一點(diǎn)是要使用50Ω 終端。橫河示波器的資料上介紹說，50Ω 模塊是除去DC 成分，精確測(cè)量AC 成分。但是很少有示波器配這種專門的探頭，大多數(shù)情況是使用標(biāo)配100KΩ 到10MΩ 的探頭測(cè)量，影響暫時(shí)不清楚。
上面是測(cè)量開關(guān)紋波時(shí)基本的注意事項(xiàng)。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點(diǎn)，應(yīng)該用雙絞線，或者50Ω 同軸電纜方式測(cè)量。
在測(cè)量高頻噪聲時(shí)，使用示波器的全通帶，一般為幾百兆到GHz 級(jí)別。其他與上述相同。
可能不同的公司有不同的測(cè)試方法。歸根到底第一要清楚自己的測(cè)試結(jié)果。第二要得到客戶認(rèn)可。
關(guān)于示波器：
有些數(shù)字示波器因?yàn)楦蓴_和存儲(chǔ)深度的原因，無法正確的測(cè)量出紋波。這時(shí)應(yīng)更換示波器。這方面有時(shí)候雖然老的模擬示波器帶寬只有幾十兆，但表現(xiàn)要比數(shù)字示波器好。泰克公司有專門分開測(cè)量上述兩種紋波(噪聲)的軟件，可以看一下參考資料5。同樣，關(guān)于示波器的接地，電源測(cè)試的相關(guān)知識(shí)，也可以看一下。
開關(guān)電源紋波的抑制
對(duì)于開關(guān)紋波，理論上和實(shí)際上都是一定存在的。通常抑制或減少它的做法有三種：
1，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。
同樣，輸出紋波與輸出電容的關(guān)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(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。
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。所以在要求比較嚴(yán)格時(shí)，這種方法并不是很好。關(guān)于開關(guān)電源的原理等，可以參考各類開關(guān)電源設(shè)計(jì)手冊(cè)。
2，二級(jí)濾波，就是再加一級(jí)LC 濾波器
LC 濾波器對(duì)噪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。
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。關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定，很多資料有介紹，這里不詳細(xì)寫了。
3，開關(guān)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?cè)械姆答佅到y(tǒng)，但也是成本最高，功耗最高的辦法。任何一款LDO 都有一項(xiàng)指標(biāo)：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(duì)減小紋波。開關(guān)電源的PCB 布線也非常關(guān)鍵，這是個(gè)很赫手的問題。有專門的開關(guān)電源PCB 工程師，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，簡單的做法是在二極管上并電容C 或RC，或串聯(lián)電感。
4，在二極管上并電容C 或RC
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)。關(guān)于軟開關(guān)，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(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。
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。因?yàn)楸救耸亲銎囯娮友邪l(fā)的，對(duì)于后兩種噪聲接觸較少，所以暫不考慮。
開關(guān)電源紋波的測(cè)量
基本要求：使用示波器AC 耦合，20MHz 帶寬限制，拔掉探頭的地線
1，AC 耦合是去掉疊加的直流電壓，得到準(zhǔn)確的波形。
2，打開20MHz 帶寬限制是防止高頻噪聲的干擾，防止測(cè)出錯(cuò)誤的結(jié)果。因?yàn)楦哳l成分幅值較大，測(cè)量的時(shí)候應(yīng)除去。
3，拔掉示波器探頭的接地夾，使用接地環(huán)測(cè)量，是為了減少干擾。很多部門沒有接地環(huán)，如果誤差允許也直接用探頭的接地夾測(cè)量。但在判斷是否合格時(shí)要考慮這個(gè)因素。
還有一點(diǎn)是要使用50Ω 終端。橫河示波器的資料上介紹說，50Ω 模塊是除去DC 成分，精確測(cè)量AC 成分。但是很少有示波器配這種專門的探頭，大多數(shù)情況是使用標(biāo)配100KΩ 到10MΩ 的探頭測(cè)量，影響暫時(shí)不清楚。
上面是測(cè)量開關(guān)紋波時(shí)基本的注意事項(xiàng)。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點(diǎn)，應(yīng)該用雙絞線，或者50Ω 同軸電纜方式測(cè)量。
在測(cè)量高頻噪聲時(shí)，使用示波器的全通帶，一般為幾百兆到GHz 級(jí)別。其他與上述相同。
可能不同的公司有不同的測(cè)試方法。歸根到底第一要清楚自己的測(cè)試結(jié)果。第二要得到客戶認(rèn)可。
關(guān)于示波器：
有些數(shù)字示波器因?yàn)楦蓴_和存儲(chǔ)深度的原因，無法正確的測(cè)量出紋波。這時(shí)應(yīng)更換示波器。這方面有時(shí)候雖然老的模擬示波器帶寬只有幾十兆，但表現(xiàn)要比數(shù)字示波器好。泰克公司有專門分開測(cè)量上述兩種紋波(噪聲)的軟件，可以看一下參考資料5。同樣，關(guān)于示波器的接地，電源測(cè)試的相關(guān)知識(shí)，也可以看一下。
開關(guān)電源紋波的抑制
對(duì)于開關(guān)紋波，理論上和實(shí)際上都是一定存在的。通常抑制或減少它的做法有三種：
1，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。
同樣，輸出紋波與輸出電容的關(guān)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(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。
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。所以在要求比較嚴(yán)格時(shí)，這種方法并不是很好。關(guān)于開關(guān)電源的原理等，可以參考各類開關(guān)電源設(shè)計(jì)手冊(cè)。
2，二級(jí)濾波，就是再加一級(jí)LC 濾波器
LC 濾波器對(duì)噪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。
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。關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定，很多資料有介紹，這里不詳細(xì)寫了。
3，開關(guān)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?cè)械姆答佅到y(tǒng)，但也是成本最高，功耗最高的辦法。任何一款LDO 都有一項(xiàng)指標(biāo)：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(duì)減小紋波。開關(guān)電源的PCB 布線也非常關(guān)鍵，這是個(gè)很赫手的問題。有專門的開關(guān)電源PCB 工程師，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，簡單的做法是在二極管上并電容C 或RC，或串聯(lián)電感。
4，在二極管上并電容C 或RC
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)。關(guān)于軟開關(guān)，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(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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