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      專業知識解讀

      技術文章丨降低開關電源紋波和噪聲方法 開關電源檢測

      開關電源(包括AC/DC轉換器、DC/DC轉換器、AC/DC模塊和DC/DC模塊)與線性電源相比較,最突出的優點是轉換效率高,一般可達80%~85%,高的可達90%~97%;其次,開關電源采用高頻變壓器替代了笨重的工頻變壓器,不僅重量減輕,體積也減小了,因此應用范圍越來越廣。


      但開關電源的缺點是由于其開關管工作于高頻開關狀態,輸出的紋波和噪聲電壓較大,一般為輸出電壓的1%左右(低的為輸出電壓的0.5%左右),最好產品的紋波和噪聲電壓也有幾十mV;而線性電源的調整管工作于線性狀態,無紋波電壓,輸出的噪聲電壓也較小,其單位是μV。
      紋波和噪聲產生的原因
      01

      開關電源輸出的不是純正的直流電壓,里面有些交流成分,這就是紋波和噪聲造成的。紋波是輸出直流電壓的波動,與開關電源的開關動作有關。


      每一個開、關過程,電能從輸入端被“泵到”輸出端,形成一個充電和放電的過程,從而造成輸出電壓的波動,波動頻率與開關的頻率相同。紋波電壓是紋波的波峰與波谷之間的峰峰值,其大小與開關電源的輸入電容和輸出電容的容量及品質有關。


      噪聲的產生原因有兩種:
      一種是開關電源自身產生的;


      另一種是外界電磁場的干擾(EMI),它能通過輻射進入開關電源或者通過電源線輸入開關電源。

      開關電源自身產生的噪聲是一種高頻的脈沖串,由發生在開關導通與截止瞬間產生的尖脈沖所造成,也稱為開關噪聲。噪聲脈沖串的頻率比開關頻率高得多,噪聲電壓是其峰峰值。噪聲電壓的振幅很大程度上與開關電源的拓撲、電路中的寄生狀態及PCB的設計有關。


      減小紋波和噪聲電壓的措施
      02

      紋波產生主要在五個方面:輸入低頻紋波、高頻紋波、寄生參數引起的共模紋波噪聲、功率器件開關過程中產生的超高頻諧振噪聲和閉環調節控制引起的紋波噪聲。


      圖片


      1. 輸入低頻紋波
      低頻紋波是與輸出電路的濾波電容容量相關。電容的容量不可能無限制地增加,導致輸出低頻紋波的殘留。交流紋經 DC/DC 變換器衰減后,在開關電源輸出端表現為低頻噪聲,其大由 DC/DC 變換器的變比和控制系統的增益決定。電流型控制 DC/DC 變換器的紋波抑制比電壓型稍有提高。但其輸出端的低頻交流紋波仍較大。若要實現開關電源的低紋波輸出,則必須對低頻電源紋波采取濾波措施。可采用前級預穩壓和增大 DC/DC 變換器閉環增益來消除。
      低頻紋波抑制的幾種常用的方法:
      a、加大輸出低頻濾波的電感,電容參數,使低頻紋波降低到所需的指標;
      b、采用前饋控制方法,降低低頻紋波分量。


      2. 高頻紋波
      高頻紋波噪聲來源于高頻功率開關變換電路。
      在電路中,通過功率器件對輸入直流電壓進行高頻開關變換而后整流濾波再實現穩壓輸出的,在其輸出端含有與開關工作頻率相同頻率的高頻紋波,其對外電路的影響大小主要和開關電源的變換頻率、輸出濾波器的結構和參數有關,設計中盡量提高功率變換器的工作頻率,可以減少對高頻開關紋波的濾波要求。 
      高頻紋波抑制的目的是給高頻紋波提供通路,常用的方法有以下幾種:
      a、提高開關電源工作頻率,以提高高頻紋波頻率,有利于抑制輸出高頻紋波;
      b、加大輸出高頻濾波器,可以抑制輸出高頻紋波;
      c、采用多級濾波。


      3、寄生參數引起的共模紋波噪聲
      由于功率器件與散熱器底板和變壓器原、副邊之間存在寄生電容,導線存在寄生電感,因此當矩形波電壓作用于功率器件時,開關電源的輸出端因此會產生共模紋波噪聲。
      減小與控制功率器件、變壓器與機殼地之間的寄生電容,并在輸出側加共模抑制電感及電容,可減小輸出的共模紋波噪聲。
      減小輸出共模紋波噪聲的常用方法:

      a、輸出采用專門設計的 EMI 濾波器;

      b、降低開關毛刺幅度。


      圖片


      4、超高頻諧振噪聲和閉環調節控制引起的紋波噪聲
      超高頻諧振噪聲主要來源于高頻整流二極管反向恢復時二極管結電容、功率器件開關時功率器件結電容與線路寄生電感的諧振,頻率一般為 1-10MHz,通過選用軟恢復特性二極管、結電容小的開關管和減少布線長度等措施可以減少超高頻諧振噪聲。

              

      開關電源都需對輸出電壓進行閉環控制,調節器參數設計的不適當也會引起紋波。當輸出端波動時通過反饋網絡進入調節器回路,可能導致調節器的自激振蕩,引起附加紋波。此紋波電壓一般沒有固定的頻率。在開關直流電源中,往往因調節器參數選擇不適當會引起輸出紋波的增大。

                  

      這部分紋波可通過以下方法進行抑制:  
      a、在調節器輸出增加對地的補償網絡,調節器的補償可抑制調節器自激引起的紋波增大;       
      b、合理選擇閉環調節器的開環放大倍數和閉環調節器的參數,開環放大倍數過大有時會引起調節器的振蕩或自激,使輸出紋彼含量增加,過小的開環放大倍數使輸出電壓穩定性變差及紋波含量增加.所以調節器的開環放大倍數及閉環調節器的參數要合理選取,調試中要根據負載狀況進行調節;
      c、在反饋通道中不增加純滯后濾波環節.使延時滯后降到最小.以增加閉環調節的快速性和及時性,對抑制輸出電壓紋波是有益的。




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