减小高频开关电源纹波的方法

开关电源在为电子设备带来更高转换效率的同时，也带来了开关噪声，电子设备特别是一些测量仪表、通信设备对电源纹波都很敏感，特别是高频纹波会对设备造成很大的干扰。对于高频开关电源开关纹波，通常抑制或减少它的做法有：1，加大电感和输出电容滤波根据高频开关电源的公式，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。左图是开关电源电感L内的电流波形，其纹波电流△I可由下式算出：可以看出，增加L值，或者提高开关频率可以减小电感内的电流波动。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，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，高频开关电源工作时，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。应用该对策后，BUCK型开关电源如下图所示：上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。因为体积限制，电感不会做的很大；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。关于高频开关电源的原理等，可以参考各类开关电源设计手册。/DIVDIV/DIVDIV2，二级滤波，就是再加一级LC滤波器LC滤波器对噪纹波的抑制作用比较明显，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，一般能够很好的减小纹波。但是，这种情况下需要考虑反馈比较电压的采样点。(如下图所示)采样点选在LC滤波器之前(Pa)，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。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，很多资料有介绍，这里不详细写了。/DIVDIV/DIVDIV3，高频开关电源输出之后，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。是一条频率-dB曲线，如右图是凌特公司LT3024的曲线。经过LDO之后，开关纹波一般在10mV以下。下图是LDO前后的纹波对比：对比曲线上图的曲线和左图的波形，可以看出对几百KHz的开关纹波，LDO的抑制效果非常好。但在高频范围内，该LDO的效果就不那么理想了。对减小纹波。高频开关电源的PCB布线也非常关键，这是个很赫手的问题。有专门的开关电源PCB工程师，简单的可以参考美国国半公司的AN1229：SIMPLESWITCHERPCBLayoutGuidelines，(网上有翻译的中文摘要)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电容C或RC，或串联电感。/DIVDIV/DIVDIV4，在二极管上并电容C或RC左图是实际用二极管的等效电路。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。详细的解释可参考资料1和2。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，有很多书专门介绍。/DIVDIV/DIVDIV5，二极管后接电感（EMI滤波）这也是常用的抑制高频开关电源高频噪声的方法。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的要求。比较简单的做法，不再详细解释。