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開關(guān)電源紋波的測量詳細(xì)介紹

時間:2024-10-22 17:38:19來源:21ic電子網(wǎng)

導(dǎo)語:?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的。所以在輸出端也會出現(xiàn)一個與SWITCH同頻率的紋波,一般所說的紋波就是指這個,它與輸出電容的容量和ESR有關(guān)系。這個紋波的頻率與開關(guān)電源相同,范圍為幾十到幾百KHz。

  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的。所以在輸出端也會出現(xiàn)一個與SWITCH同頻率的紋波,一般所說的紋波就是指這個,它與輸出電容的容量和ESR有關(guān)系。這個紋波的頻率與開關(guān)電源相同,范圍為幾十到幾百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)通和截止的時候,都會有一個上升時間和下降時間。這時候在電路中就會出現(xiàn)一個與SWITCH上升下降時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。

  開關(guān)電源紋波的測量

  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,防止測出錯誤的結(jié)果。因?yàn)楦哳l成分幅值較大,測量的時候應(yīng)除去。

  3.拔掉示波器探頭的接地夾,使用接地環(huán)測量,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量。但在判斷是否合格時要考慮這個因素。

  還有一點(diǎn)是要使用50?終端。示波器的資料上介紹說,50?模塊是除去DC成分,精確測量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100K?到10M?的探頭測量,影響暫時不清楚。

  上面是測量開關(guān)紋波時基本的注意事項(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50?同軸電纜方式測量。

  在測量高頻噪聲時,使用示波器的全通帶,一般為幾百兆到GHz級別。其他與上述相同??赡懿煌墓居胁煌臏y試方法。歸根到底第一要清楚自己的測試結(jié)果。

  有些數(shù)字示波器因?yàn)楦蓴_和存儲深度的原因,無法正確的測量出紋波。這時應(yīng)更換示波器。這方面有時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。

  開關(guān)電源紋波的抑制

  對于開關(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。

  開關(guān)電源電感L內(nèi)的電流波形,其紋波電流△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。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,所以會在它旁邊并聯(lián)一個陶瓷電容,來彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。

  同時,開關(guān)電源工作時,輸入端的電壓Vin不變,但是電流是隨開關(guān)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(lián)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?yàn)轶w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(guān)頻率,又會增加開關(guān)損失。所以在要求比較嚴(yán)格時,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(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。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),輸出電壓會降低。因?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋€直流電阻,當(dāng)有電流輸出時,在電感上會有壓降產(chǎn)生,導(dǎo)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(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)部引入了一個電感和一個電容,有可能會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

  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,不需要改變原有的反饋系統(tǒng),但也是成本最高,功耗最高的辦法。

  對減小紋波。開關(guān)電源的PCB布線也非常關(guān)鍵。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(lián)電感。

  實(shí)際用二極管的等效電路。二極管高速導(dǎo)通截止時,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-100 Ω,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),反而會造成更嚴(yán)重的振蕩。

  小結(jié)

  以上是關(guān)于開關(guān)電源紋波,總結(jié)的一些內(nèi)容,如果能加些波形就更好了。雖然可能不太全,但對一般的應(yīng)用已經(jīng)足夠了。關(guān)于噪聲抑制,實(shí)際中并不一定全部應(yīng)用,重要的是根據(jù)自己的設(shè)計要求,比如產(chǎn)品體積,成本,開發(fā)周期等,選擇合適的方法。


標(biāo)簽: 電力電子

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