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一文看懂:如何抑制开关电源的输出纹波?


  来源: ZLG致远电子 时间:2022-04-22 编辑:清风
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在开关电源中,稳定直流信号中交流纹波的叠加通常都是工程师苦恼的问题,那么我们如何来减小和抑制纹波噪声呢?


什么是电源纹波,它是如何产生的呢?


随着开关电源的发展,越来越多的传统线性电源被其优越的性能替代,然而开关电源的输出纹波一直是令工程师头疼的问题,那么什么是电源纹波,它又是如何产生的呢?我们知道,开关电源输出的直流电压是由交流电压经整流、滤波、稳压后得到的。由于电路中滤波电路设计不尽合理,直流电平之上就会附着包含周期且随机的杂波,这就产生了纹波。在额定输出电压、电流的情况下,输出直流电压中的交流电压的峰值就是通常所说的纹波电压。简单来说,纹波就是叠加在稳定直流输出上的交流成分。


图 1 开关电源主要结构


测试电源纹波及抑制电源纹波的方法


开关电源中携带的纹波会在降低电源的使用效率,较高的纹波还可能会产生浪涌电压或电流,并且在数字电路中纹波还会干扰电路逻辑电平关系,是百害无一利的;在开关电源的设计的过程中,我们不仅需要正确地测量纹波,并且要尽可能将纹波降低。

测量纹波的正确方法,通常需要以下几个步骤:


1. 首先探头要选择合适的档位,普通情况下建议使用X1档,避免不必要的噪声衰减影响纹波的测量;

2. 选择通道耦合方式为AC耦合,限制直流信号的输入;

3. 打开示波器的“带宽限制”功能,选择“20MHz”带宽限制,将不必要的高频噪声滤除;

4. 为避免电磁辐射等对信号的干扰,在测量时建议使用“接地弹簧”接地,避免长接地线带来的不必要干扰;

5. 调整水平时基,垂直档位及偏移,使纹波信号在屏幕的中央显示(图2蓝框内所示为示波器纹波测试结果)。


图 2 示波器测试纹波结果


为了有效减小纹波,在电路设计时,可以从以下几个方面来改善:


1. 增大电感或开关频率


根据开关电源的公式,电感内电流波动大小和电感值成反比,可以提高开关频率,使每次传递的能量减小从而减小纹波(但增加开关频率,也会增加开关损耗),或增大传递能量的电感值L,使电流的突变峰值降低,从而减小纹波的波动幅度。


图 3 电感内电流波形


2. 增大电容


由输出纹波和输出电容值成反比,可以增加输出滤波电容来减小纹波,不能无限加大电容,大多数开关电源模块有最大容性负载限制。也可以在二极管和开关管上并电容C 或RC(如图4 ,D2、Q1所示),二极管在高速导通和关断时,在二极管反向恢复期间,等效电感和等效电容成为一个RC 振荡器,产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡,需在二极管两端并联电容C或RC 缓冲网络。电阻一般取10Ω-100Ω,电容取4.7pF-2.2nF。


图 4 开关电源电路


3. 开关电源输出之后,增加稳压器


在开关电源或模块电源输出后再加一个低压差线性稳压器(LDO)能大幅度地降低输出噪声,以满足对噪声特别有要求的电路需要,输出噪声可达μV级。由于LDO的压差(输入与输出电压的差值)仅几百mV,则在开关电源的输出略高于LDO几百mV就可以输出标准电压了,并且其损耗也不大。


4. 规范的PCB 布线


关键词:开关电源 输出纹波 电源纹波    浏览量:4172

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