纹波

理解输出电压纹波和噪声二:高频噪声分量的来源和抑制

作者: Yuan Tan

第一部分:输出电压噪声

输出电压波形中除了开关频率分量的纹波以外,还存在高频噪声分量,如图1所示。高频噪声是如何形成的呢?主要是由电路中的寄生参数造成的。在实际电路中,PCB走线存在寄生电感和电阻,输入输出电容会引入寄生电感和电阻,两个不同电位的平面之间会形成寄生电容。以Buck电路为例,上下管切换的瞬间,输入回路中的寄生电感与开关管的输出电容谐振。因此,开关节点SW在上升和下降沿会产生高频振荡,且寄生参数越大,振荡的幅度也越大,甚至损坏开关管。该高频振荡会通过SW节点与输出VOUT之间的寄生电容耦合到输出电压,也就是输出电压中的高频噪声。

“图1.
图1. Buck电路的寄生参数

第二部分:输出电压噪声的抑制

理解输出电压纹波和噪声一:输出电压纹波来源和抑制

作者: Yuan Tan

医疗设备、测试测量仪器等很多应用对电源的纹波和噪声极其敏感。 理解输出电压纹波和噪声的产生机制以及测量技术是优化改进电路性能的基础。

第一部分:输出电压纹波

以Buck电路为例,由于寄生参数的影响,实际Buck电路的输出电压并非是稳定干净的直流电压,而是在直流电压上叠加了输出电压纹波和噪声,如图1所示。

“图1.
图1. Buck 输出电压纹波和噪声

实际输出电压纹波由电感电流与输出阻抗决定,由三部分组成,如图2 所示。

1、电感电流纹波通过输出电容的寄生电阻ESR形成的压降
2、输出电容的充放电
3、寄生电感引起的电压突变

减小开关电源纹波和噪声电压的措施有哪些?

下面给大家介绍下。 

减少EMI的干扰

采用金属外壳做屏蔽减小外界电磁场辐射干扰。为减少从电源线输入的电磁干扰,在电源输入端加EMI滤波器。

提高纹波和瞬态性能,输出电容究竟应该怎么选?

图1显示了组成一个电容器的基本寄生,由等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)组成,并且以曲线图呈现出三种电容器(陶瓷电容器、铝质电解电容器和铝聚合物电容器)的阻抗与频率之间的关系。

降低开关电源纹波的三个要素

1、储能电感

储能电感在工作频率下的Q值越大越好。很多人只注意到电感量,其实Q值的影响要大得多,电感量是可以在很大范围内波动的,只要满足要求就可以。

2、滤波电容

开关电源纹波测量和抑制方法

开关稳压电源非常关键的一个指标就是纹波,它主要是由开关变换的方式导致的,也因纹波的存在会影响到后续电路的工作,尤其是在对纹波比较敏感的场合下。如何正确测量开关电源纹波?如何有效抑制开关电源的纹波以达到供电电路的要求?这些都是PCB设计工程师需要掌握的重要技能。

开关电源纹波的测量

开关电源工作时,如何抑制纹波和减小高频噪声?

开关电源纹波的产生

我们最终的目的是要把输出纹波降低到可以忍受的程度,达到这个目的最根本的解决方法就是要尽量避免纹波的产生,首先要清楚开关电源纹波的种类和产生原因。

随着SWITCH的开关,电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与SWITCH同频率的纹波,一般所说的纹波就是指这个。它与输出电容的容量和ESR有关系。这个纹波的频率与开关电源相同,为几十到几百KHz。

另外,SWITCH一般选用双极性晶体管或者MOSFET,不管是哪种,在其导通和截止的时候,都会有一个上升时间和下降时间。这时候在电路中就会出现一个与SWITCH上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声,一般为几十MHz。同样二极管D在反向恢复瞬间,其等效电路为电阻电容和电感的串联,会引起谐振,产生的噪声频率也为几十MHz。这两种噪声一般叫做高频噪声,幅值通常要比纹波大得多。

如果是AC/DC变换器,除了上述两种纹波(噪声)以外,还有AC噪声,频率是输入AC电源的频率,为50~60Hz左右。还有一种共模噪声,是由于很多开关电源的功率器件使用外壳作为散热器,产生的等效电容导致的。因为本人是做汽车电子研发的,对于后两种噪声接触较少,所以暂不考虑。

纹波电压是如何估算的?

对滤波效果而言,电容的ESL和ESR参数都很重要,电感会阻止电流的突变,电阻则限制了电流的变化率,这些影响对电容的充放电显然都不利。优质的电容在设计及制造时都采取了必要的手段来降低ESL和ESR,故而横向比较起来,同样的容量滤波效果却不同。

【实用】开关电源纹波如何测量?抑制方法有哪些?

开关电源纹波的测量

要有效降低开关电源输出纹波我们首先得有个比较靠谱的测试方法,不能是由于测试方法的问题而导致的假波形是整改不好的

基本要求:使用示波器AC 耦合,20MHz 带宽限制,拔掉探头的地线

1,AC 耦合是去掉叠加的直流电压,得到准确的波形。

开关电源各个专业术语解释,非常详细!

纹波与噪声

纹波

开关电源的输出并不是真正恒定的,输出存在着周期性的抖动,这些抖动看上去就和水纹一样,称为纹波。

纹波可以是电压或电流纹波。

通常用2个参数来描述纹波:

最大纹波电压:纹波的峰峰值。