如何降低電源紋波噪聲的分析與應(yīng)用

1、如何降低電源紋波噪聲的分析與應(yīng)用20092009中國(guó)電源工程師深圳技術(shù)交流會(huì)中國(guó)電源工程師深圳技術(shù)交流會(huì)LOGO 一.什么是紋波? 二.紋波的表示方法; 三.紋波的測(cè)試方法; 四.開關(guān)電源紋波的主要分類及抑制方法講解; 五、結(jié)語及附注如何降低電源紋波噪聲的分析與應(yīng)用LOGO 一、什么叫紋波？一、什么叫紋波？紋波(ripple)的定義是指在直流電壓或電流中,疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。它主要有以下害處：1.1容易在用電器上產(chǎn)生諧波，而諧波會(huì)產(chǎn)生更多的危害；1.2降低了電源的效率； 1.3較強(qiáng)的紋波會(huì)造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生，導(dǎo)致燒毀用電器； 1.4會(huì)干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，影響其正常工作； 1

2、.5會(huì)帶來噪音干擾，使圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能正常工作。如何降低電源紋波噪聲的分析與應(yīng)用-什么叫紋波?LOGO 二、紋波的表示方法二、紋波的表示方法可以用有效值或峰值來表示，或者用絕對(duì)量、相對(duì)量來表示； 單位通常為：mV例如：一個(gè)電源工作在穩(wěn)壓狀態(tài),其輸出為12V5A，測(cè)得紋波的有 效值為10mV，這10mV就是紋波的絕對(duì)量，而相對(duì)量即紋波系數(shù)=紋波電 壓/輸出電壓=10mv/12V=0.12%。如何降低電源紋波噪聲的分析與應(yīng)用-紋波表示方法LOGO三、紋波的測(cè)試方法3.1以20M示波器帶寬為限制標(biāo)準(zhǔn)，電壓設(shè)為PK-PK(也有測(cè)有效值的)，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

3、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50同軸電纜方式測(cè)量。如何降低電源紋波噪聲的分析與應(yīng)用-紋波測(cè)試方法LOGO四、開關(guān)電源紋波的主要分類四、開關(guān)電源紋波的主要分類開關(guān)電源輸出紋波主要來源于五個(gè)方面：4.1.輸入低頻紋波;4.2.高頻紋波;4.3.寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲;4.4.功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲;4.5.閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。開關(guān)電源紋波的主要分類L

4、OGO4.1、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(guān)。電容的容量不可能無限制地增加，導(dǎo)致輸出低頻紋波的殘留。 交流紋波經(jīng)DC/DC變換器衰減后，在開關(guān)電源輸出端表現(xiàn)為低頻噪聲，其大小由DC/DC變換器的變比和控制系統(tǒng)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。要實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源的低紋波輸出，必須對(duì)低頻電源紋波采取濾波措施。 可采用前級(jí)預(yù)穩(wěn)壓和增大DC/DC變換器閉環(huán)增益來消除。紋波的主要分類-輸入低頻紋波LOGO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(shù)。電容上的紋波有兩個(gè)成分,一個(gè)是充放電時(shí)的電壓升降量

5、，一個(gè)是電流進(jìn)出電容時(shí)ESR上的I*R電壓降量。通過輸出紋波與輸出電容的關(guān)系式：vripple=Imax/(Cof)可以看出，加大輸出電容值可以減小紋波?；蛘呖紤]采用并聯(lián)的方式減小ESR值,或者使用LOW ESR電容。b、采用前饋控制方法，降低低頻紋波分量。feed forward control (FFC) 前饋控制是按照擾動(dòng)產(chǎn)生校正作用的一種調(diào)節(jié)方式，主要用于一些純滯后或容量滯后較大的被控參數(shù)的控制。其目的是加速系統(tǒng)響應(yīng)速度，改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。紋波的主要分類-輸入低頻紋波LOGO4.2、高頻紋波: 高頻紋波噪聲來源于高頻功率開關(guān)變換電路 在電路中，通過功率器件對(duì)輸入直流電壓進(jìn)行高頻開關(guān)變

6、換后整流濾波再實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的，在其輸出端含有與開關(guān)工作頻率相同頻率的高頻紋波，其對(duì)外電路的影響大小主要和開關(guān)電源的變換頻率、輸出濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)； 設(shè)計(jì)中盡量提高功率變換器的工作頻率，可以減少對(duì)高頻開關(guān)紋波的濾波要求。紋波的主要分類-高頻紋波LOGO高頻紋波抑制常用的方法有以下幾種：a、提高開關(guān)電源工作頻率，以提高高頻紋波頻率，其紋波電流I可由下式算出： 可以看出，增加L值，或者提高開關(guān)頻率可以減小電感內(nèi)的電流波動(dòng)。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(jí)濾波。一般濾波多采用C型、LC型、CLC型，為了更好的抑制紋波，可以采用增加多一級(jí)LC濾波。紋波的主要分類-高頻紋波

7、LOGO4.3、寄生參數(shù)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(dǎo)線存在寄生電感，減小與控制功率器件、變壓器與機(jī)殼地之間的寄生電容，并將散熱器有效接地（根據(jù)不同情況，可選擇通過電容接地，或電容串電阻接地），同時(shí)在輸出側(cè)加共模電感及電容，可減小輸出的共模紋波噪聲。 因此當(dāng)矩形波電壓作用于功率器件時(shí)，開關(guān)電源的輸出端因此會(huì)產(chǎn)生共模紋波噪聲。減小與控制功率器件、變壓器與機(jī)殼地之間的寄生電容，并在輸出側(cè)加共模抑制電感及電容，可減小輸出的共模紋波噪聲。紋波的主要分類-寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲紋波LOGO4.3.1減小輸出共模紋波噪聲的常用方法:a、輸入、輸出采用專

8、門設(shè)計(jì)的EMI濾波器。b、降低開關(guān)毛刺幅度。 主開關(guān)管是開關(guān)電源的核心器件，同時(shí)也是干擾源。其工作頻率直接與電磁干擾的強(qiáng)度相關(guān)。隨著開關(guān)管的工作頻率升高，開關(guān)管電壓、電流的切換速度加快，其傳導(dǎo)干擾和輻射干擾也隨之增加。此外，主開關(guān)管上反并聯(lián)的鉗位二極管的反向恢復(fù)特性不好，或者電壓尖峰吸收電路的參數(shù)選擇不當(dāng)也會(huì)造成電磁干擾。紋波的主要分類-寄生參數(shù)引起的共模紋波噪聲紋波LOGO4.4、功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲 超高頻諧振噪聲主要來源于： 高頻整流二極管反向恢復(fù)時(shí)二極管結(jié)電容、功率器件開關(guān) 時(shí)功率器件結(jié)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(fù)特性二極管、

9、結(jié)電容小的開關(guān)管和減少布線長(zhǎng)度 等措施可以減少超高頻諧振噪聲。紋波的主要分類-功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲LOGOa、理想的二極管在承受反向電壓時(shí)截止，不會(huì)有反向電流通過。而實(shí)際二極管正向?qū)〞r(shí)，PN結(jié)內(nèi)的電荷 被積累，當(dāng)二極管承受反向電壓時(shí)，PN結(jié)內(nèi)積累的電荷將釋放并形成一個(gè)反向恢復(fù)電流，它恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間與結(jié)電容等因素有關(guān)。反向恢復(fù)電流在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下將產(chǎn)生較強(qiáng)烈的高頻衰減振蕩。因此，輸出整流二極管的反向恢復(fù)噪聲也成為開關(guān)電源中一個(gè)主要的干擾源。二極管反向恢復(fù)的等效電路如下：紋波的主要分類-功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲LOGO圖4中：R0為次級(jí)繞線電阻

10、，引線電阻及二極管導(dǎo)通電阻之和；L0為變壓器漏感和引線電感之和；利用等效電路的計(jì)算公式i=Us/R01e(R0/L0)t中，不難看出，在反向恢復(fù)前期的過程中所產(chǎn)生的電流尖峰是很大的。再加上后期恢復(fù)中因?yàn)殛P(guān)斷結(jié)電容的存在，在Us上還疊加了一個(gè)正弦衰減振蕩Uoeatsin(t)。紋波的主要分類-功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲LOGO 輸出整流二極管的反向恢復(fù)問題也可以通過在輸出整流管上串聯(lián)一個(gè)飽和電感來抑制。如圖5所示，飽和電感Ls與二極管串聯(lián)工作。飽和電感的磁芯是用具有矩形BH曲線的磁性材料制成的。同磁放大器使用的材料一樣，這種磁芯做的電感有很高的磁導(dǎo)率，該種磁芯在BH曲線上擁有一段接近

11、垂直的線性區(qū)并很容易進(jìn)入飽和。實(shí)際使用中，在輸出整流二極管導(dǎo)通時(shí)，使飽和電感工作在飽和狀態(tài)下，相當(dāng)于一段導(dǎo)線；當(dāng)二極管關(guān)斷反向恢復(fù)時(shí)，使飽和電感工作在電感特性狀態(tài)下，阻礙了反向恢復(fù)電流的大幅度變化，從而抑制了它對(duì)外部的干擾。 圖5紋波的主要分類-功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲LOGO紋波的主要分類 - 功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲圖5飽和電感在減小二極管反向恢復(fù)電流中的應(yīng)用為了抑制二極管尖峰，需在二極管兩端并聯(lián)電容C或RC緩沖網(wǎng)絡(luò)。 RC網(wǎng)絡(luò)的取值原則：C從0.01F0.1F，串聯(lián)電阻用于限制電容C的放電電流，也為了阻止由于回路阻抗而引起的共振，起阻尼作用。 一般按下式選?。?/p>

12、U0/I0R(R不小于4) 圖5LOGOb、分布及寄生參數(shù)引起的開關(guān)電源噪聲 b1、開關(guān)電源的分布參數(shù)是多數(shù)干擾的內(nèi)在因素，開關(guān)電源和散熱器之間的分布電容、變壓器初次級(jí)之間的分布電容、原副邊的漏感都是噪聲源。 b2、共模干擾就是通過變壓器初、次級(jí)之間的分布電容以及開關(guān)電源與散熱器之間的分布電容傳輸?shù)?。其中變壓器繞組的分布電容與高頻變壓器繞組結(jié)構(gòu)、制造工藝有關(guān)。 b3、可以通過改進(jìn)繞制工藝和結(jié)構(gòu)、增加繞組之間的絕緣、采用法拉第屏蔽等方法來減小繞組間的分布電容。 b4、而開關(guān)電源與散熱器之間的分布電容與開關(guān)管的結(jié)構(gòu)以及開關(guān)管的安裝方式有關(guān)。采用帶有屏蔽的絕緣襯墊可以減小開關(guān)管與散熱器之間的分布電容

13、。紋波的主要分類-功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲LOGO 如圖6，在高頻工作下的元件都有高頻寄生特性，對(duì)其工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。高頻工作時(shí)導(dǎo)線變成了發(fā)射線、電容變成了電感、電感變成了電容、電阻變成了共振電路。觀察圖6中的頻率特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率過高時(shí)各元件的頻率特性產(chǎn)生了相當(dāng)大的變化。為了保證開關(guān)電源在高頻工作時(shí)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)開關(guān)電源時(shí)要充分考慮元件在高頻工作時(shí)的特性，選擇使用高頻特性比較好的元件。另外，在高頻時(shí)，導(dǎo)線寄生電感的感抗顯著增加，由于電感的不可控性，最終使其變成一根發(fā)射線。也就成為了開關(guān)電源中的輻射干擾源。導(dǎo)線長(zhǎng)度l ，線徑d與其電感量的關(guān)系為：L(H) = 0.002 l

14、【ln（ 4l / d ) 1 】頻率特性圖6紋波的主要分類-功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲LOGOc、設(shè)計(jì)PCB板最好注意以下幾點(diǎn): c1、從輸入到輸出最好按順序走線；c2、開關(guān)變壓器底下和附近不走取樣電路，保護(hù)電路，主芯片及振蕩相關(guān) 電路的線路； c3、總接地點(diǎn)取在輸出濾波電容上比較合適，各電路接地點(diǎn)應(yīng)從總接地點(diǎn)分 別引出； c4、驅(qū)動(dòng)信號(hào)到開關(guān)管走線盡可能短，且盡可能的粗，開關(guān)變壓器到輸出整 流管也是一樣；紋波的主要分類-功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲LOGO4.5 閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲此紋波可通過以下方法進(jìn)行抑制：a、在調(diào)節(jié)器輸出增加對(duì)地的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)器的補(bǔ)償可

15、抑制調(diào)節(jié)器自激引起的紋波增大。 例如： CCM模式的反激變換器控制至輸出傳遞函數(shù)之間有一個(gè)右半平面的零點(diǎn)，當(dāng)占空比開始變化時(shí)(占空比增加時(shí))，輸出將會(huì)先向相反的方向變化(電源輸出電流減小)，易引起電路的振蕩。建議使用PID補(bǔ)償器或DPID(在PID上加一超前補(bǔ)償)補(bǔ)償器。紋波的主要分類-閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲LOGO4.5閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲 b、合理選擇閉環(huán)調(diào)節(jié)器的開環(huán)放大倍數(shù)和閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，開環(huán)放大倍數(shù)過大有時(shí)會(huì)引起調(diào)節(jié)器的振蕩或自激，使輸出紋彼含量增加，過小的開環(huán)放大倍數(shù)使輸出電壓穩(wěn)定性變差及紋波含量增加.所以調(diào)節(jié)器的開環(huán)放大倍數(shù)及閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)要合理選取，調(diào)試中要根據(jù)負(fù)

16、載狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得足夠的環(huán)路穩(wěn)定裕量。c、在反饋通道中不增加純滯后濾波環(huán)節(jié).使延時(shí)滯后降到最小.以增加閉環(huán)調(diào)節(jié)的快速性和及時(shí)性，對(duì)抑制輸出電壓紋波是有益的。紋波的主要分類-閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲LOGO幾種常見噪聲波形?，F(xiàn)對(duì)這些噪聲波的形成原因及相應(yīng)的抑制措施簡(jiǎn)述如下：（1）噪聲波形如圖7（a）所示。 形成原因：輔助電源或基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性不夠所致。 抑制措施：在相關(guān)部位并大電容。（2）噪聲波如圖7（b）所示。 形成原因：布線不合理，引起交叉干擾。 抑制措施：調(diào)整布線。紋波的主要分類-常見紋波噪聲波形圖7LOGO（3）噪聲波形如圖8（c）所示。 形成原因：由于變壓器漏感對(duì)采樣形成干擾而引起

17、自激，導(dǎo)致出現(xiàn)正弦振蕩。 抑制措施：變壓器要適當(dāng)加以屏蔽，且屏蔽層要接地。 改進(jìn)變壓器繞制工藝。 （4）噪聲波形如圖8（d）所示。幅值變化隨機(jī)、無規(guī)則。 形成原因：在于采樣電阻所加電壓過高或印制板絕緣不良。 抑制措施：改進(jìn)采樣。（5）噪聲波形如圖8（e）所示。形成原因：整流二極管反向恢復(fù)期間引起的尖峰。抑制措施：在二極管上并電容C或RC。紋波的主要分類-常見紋波噪聲波形圖8LOGO附：不同輸出濾波結(jié)構(gòu)的濾波電容計(jì)算公式（僅供參考）C濾波 LC濾波 CLC濾波C=1440/r*RL C=1.175/r/L C1*C2=3615/r*RL/L （L大于或等于2RL/942 ）（RL=歐） （C =uF）（L =H ） r=輸出交流份量有效值/輸出直流電壓平均值如何降低電源紋波噪聲的分析與應(yīng)用-結(jié)語及附注結(jié)語：結(jié)語：本文主要是對(duì)開關(guān)