【M博士问答】开关电源工作时,如何抑制纹波和减小高频噪声?

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【M博士问答】开关电源工作时,如何抑制纹波和减小高频噪声?

Q:开关电源工作时,如何抑制纹波和减小高频噪声?

A:开关电源的纹波和噪声是一个本质问题;换言之,无论纹波和噪声多么小,也无法从根本上去除,如果讲的更绝对一些,就是开关电源无论成本怎么提高,也无法完全达到线性电源的性能和特点。抑制或减少它们的做法通常有五种。

1. 加大电感和输出电容滤波

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,输出纹波和输出电容值成反比。所以加大电感值和输出电容值可以减小纹波。

同样,输出纹波与输出电容的关系:Vripple=Imax/(Co×f)。可以看出,加大输出电容值可以减小纹波。

通常的做法,对于输出电容,是使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好,而且ESR也比较大,所以会在它旁边并联一个陶瓷电容,来弥补铝电解电容的不足。

同时,开关电源工作时,输入端的电压Vin不变,但是电流是随开关变化的。这时输入电源不会很好地提供电流,通常会在靠近电流输入端(以Buck型为例,是Switch附近)并联电容来提供电流。

上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制,电感不会做得很大;输出电容增加到一定程度,对减小纹波就没有明显的效果了;增加开关频率,又会增加开关损失。所以在要求比较严格时,这种方法并不是很好。关于开关电源的原理等,可以参考各类开关电源设计手册。

2. 二级滤波,即再加一级LC滤波器

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LC滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显,可以根据要除去的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路,一般能够很好地减小纹波。

如果采样点选在LC滤波器之前(Pa),则输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻,当有电流输出时,在电感上就会有压降产生,导致电源的输出电压降低。而且这个压降是随输出电流变化的。

若将采样点选在LC滤波器之后(Pb),这样输出电压就是我们所希望得到的电压。但是这样相当于在电源系统内部引入了一个电感和一个电容,有可能会导致系统不稳定。关于系统稳定,很多资料都有介绍,这里就不详细写了。

3. 开关电源输出之后,接LDO滤波

这是减少纹波和噪声最有效的办法,输出电压恒定,不需要改变原有的反馈系统,但也是成本最高、功耗最高的办法。任何一款LDO都有一项指标:噪音抑制比,它是一条频率-dB曲线。

对减小纹波而言,开关电源的PCB布线也非常关键,这是个很棘手的问题,甚至有专门的开关电源PCB工程师来做这项工作。对于高频噪声,由于频率高、幅值较大,后级滤波虽然有一定作用,但效果不明显。这方面有专门的研究,简单的做法是在二极管上并联电容C或RC,或串联电感。

4. 在二极管上并联电容C或RC

二极管高速导通截止时,要考虑寄生参数。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。

在二极管上并联的电容C或者RC,其取值要经过反复试验才能确定。如果选用不当,反而会造成更严重的振荡。

对高频噪声要求严格的话,可以采用软开关技术。关于软开关,有很多书做了专门介绍。

5. 二极管后接电感(EMI滤波)

这也是常用的抑制高频噪声的方法。针对产生噪声的频率,选择合适的电感元件,同样能够有效地抑制噪声。需要注意的是,电感的额定电流要满足实际要求。

小结

开关电源的应用和趋势事实上从未停止过,解决开关电源的场景应用问题,最根本的、最大的方向是受干扰用电设备与开关电源设计的干扰频点匹配问题,解决这一关键影响才是开关电源应用的宗旨和目的。任何一个易受干扰设备,无论多么复杂和精密,它都会有一个干扰范围和频点。

本文转载自:硬件助手
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