開(kāi)關(guān)電源紋波產(chǎn)生原因及如何測(cè)量？-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2022-04-20
1、隨著SWITCH 的開(kāi)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(shuō)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(kāi)關(guān)電源相同，為幾十到幾百KHz。
2、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。
3、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(kāi)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。
如上所述，紋波和噪聲是分開(kāi)的概念：
紋波：電源波動(dòng)中的低頻成分，一般低于5MHz，產(chǎn)生原因?yàn)镸OSFET的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。
噪聲：電源波動(dòng)中的高頻成分，一般高于5MHz，且成分較復(fù)雜，一般包括MOSFET的開(kāi)關(guān)噪聲、白噪聲，以及周?chē)盘?hào)的干擾等。
上圖中，粗的正弦波就是紋波，而幅值很高的脈沖就是噪聲。
1、去除示波器控頭上的夾子與地線（因?yàn)檫@個(gè)本身的夾子與地線會(huì)形成環(huán)路，像一個(gè)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(guò)要考慮其產(chǎn)生的誤差），在探頭上并聯(lián)一個(gè)10UF電解電容與一個(gè)0.1UF瓷片電容，用示波器的探針直接進(jìn)行測(cè)試;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?？傊M可能把減小測(cè)量回路。
2、使用AC耦合，去除直流成分。
3、打開(kāi)20MHz帶寬限制，防止高頻噪聲干擾。
1. 加大電感和輸出電容濾波
根據(jù)開(kāi)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)?？梢钥闯?，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(lái)彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。
同時(shí)，開(kāi)關(guān)電源工作時(shí)，輸入端的電壓Vin 不變，但是電流是隨開(kāi)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(lái)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(méi)有明顯的效果了；增加開(kāi)關(guān)頻率，又會(huì)增加開(kāi)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。
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。
3. 開(kāi)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。
對(duì)減小紋波。開(kāi)關(guān)電源的PCB 布線也非常關(guān)鍵。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(zhuān)門(mén)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。
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(guò)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(kāi)關(guān)技術(shù)。
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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