開關電源紋波產生分析測量
隨著SWITCH 的開關，電感L 中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動的。所以在輸出端也會出現(xiàn)一個與SWITCH 同頻率的紋波，一般所說的紋波就是指這個。它與輸出電容的容量和ESR 有關系。這個紋波的頻率與開關電源相同，為幾十到幾百KHz。
另外，SWITCH 一般選用雙極性晶體管或者MOSFET，不管是哪種，在其導通和截止的時候，都會有一個上升時間和下降時間。這時候在電路中就會出現(xiàn)一個與SWITCH 上升下降時間的頻率相同或者奇數(shù)倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極管D 在反向恢復瞬間，其等效電路為電阻電容和電感的串聯(lián)，會引起諧振，產生的噪聲頻率也為幾十MHz。這兩種噪聲一般叫做高頻噪聲，幅值通常要比紋波大得多。
如果是AC/DC 變換器，除了上述兩種紋波(噪聲)以外，還有AC 噪聲，頻率是輸入AC 電源的頻率，為50～60Hz 左右。還有一種共模噪聲，是由于很多開關電源的功率器件使用外殼作為散熱器，產生的等效電容導致的。因為本人是做汽車電子研發(fā)的，對于后兩種噪聲接觸較少，所以暫不考慮。
開關電源紋波的測量
基本要求：使用示波器AC 耦合，20MHz 帶寬限制，拔掉探頭的地線
1，AC 耦合是去掉疊加的直流電壓，得到準確的波形。
2，打開20MHz 帶寬限制是防止高頻噪聲的干擾，防止測出錯誤的結果。因為高頻成分幅值較大，測量的時候應除去。
3，拔掉示波器探頭的接地夾，使用接地環(huán)測量，是為了減少干擾。很多部門沒有接地環(huán)，如果誤差允許也直接用探頭的接地夾測量。但在判斷是否合格時要考慮這個因素。
還有一點是要使用50Ω 終端。橫河示波器的資料上介紹說，50Ω 模塊是除去DC 成分，精確測量AC 成分。但是很少有示波器配這種專門的探頭，大多數(shù)情況是使用標配100KΩ 到10MΩ 的探頭測量，影響暫時不清楚。
上面是測量開關紋波時基本的注意事項。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點，應該用雙絞線，或者50Ω 同軸電纜方式測量。
在測量高頻噪聲時，使用示波器的全通帶，一般為幾百兆到GHz 級別。其他與上述相同。
可能不同的公司有不同的測試方法。歸根到底第一要清楚自己的測試結果。第二要得到客戶認可。
關于示波器：
有些數(shù)字示波器因為干擾和存儲深度的原因，無法正確的測量出紋波。這時應更換示波器。這方面有時候雖然老的模擬示波器帶寬只有幾十兆，但表現(xiàn)要比數(shù)字示波器好。泰克公司有專門分開測量上述兩種紋波(噪聲)的軟件，可以看一下參考資料5。同樣，關于示波器的接地，電源測試的相關知識，也可以看一下。
開關電源紋波的抑制
對于開關紋波，理論上和實際上都是一定存在的。通常抑制或減少它的做法有三種：
1，加大電感和輸出電容濾波
根據(jù)開關電源的公式，電感內電流波動大小和電感值成反比，輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。
同樣，輸出紋波與輸出電容的關系：vripple=Imax/(Co×f)。可以看出，加大輸出電容值可以減小紋波。
通常的做法，對于輸出電容，使用鋁電解電容以達到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻噪聲方面效果不是很好，而且ESR 也比較大，所以會在它旁邊并聯(lián)一個陶瓷電容，來彌補鋁電解電容的不足。
同時，開關電源工作時，輸入端的電壓Vin 不變，但是電流是隨開關變化的。這時輸入電源不會很好地提供電流，通常在靠近電流輸入端(以BucK 型為例，是SWITcH 附近)，并聯(lián)電容來提供電流。
上面這種做法對減小紋波的作用是有限的。因為體積限制，電感不會做的很大;輸出電容增加到一定程度，對減小紋波就沒有明顯的效果了;增加開關頻率，又會增加開關損失。所以在要求比較嚴格時，這種方法并不是很好。關于開關電源的原理等，可以參考各類開關電源設計手冊。
2，二級濾波，就是再加一級LC 濾波器
LC 濾波器對噪紋波的抑制作用比較明顯，根據(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構成濾波電路，一般能夠很好的減小紋波。
采樣點選在LC 濾波器之前(Pa)，輸出電壓會降低。因為任何電感都有一個直流電阻，當有電流輸出時，在電感上會有壓降產生，導致電源的輸出電壓降低。而且這個壓降是隨輸出電流變化的。
采樣點選在LC 濾波器之后(Pb)，這樣輸出電壓就是我們所希望得到的電壓。但是這樣在電源系統(tǒng)內部引入了一個電感和一個電容，有可能會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。關于系統(tǒng)穩(wěn)定，很多資料有介紹，這里不詳細寫了。
3，開關電源輸出之后，接LDO 濾波
這是減少紋波和噪聲最有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變原有的反饋系統(tǒng)，但也是成本最高，功耗最高的辦法。任何一款LDO 都有一項指標：噪音抑制比。是一條頻率-dB 曲線，如右圖是凌特公司LT3024 的曲線。
對減小紋波。開關電源的PCB 布線也非常關鍵，這是個很赫手的問題。有專門的開關電源PCB 工程師，對于高頻噪聲，由于頻率高幅值較大，后級濾波雖然有一定作用，但效果不明顯。這方面有專門的研究，簡單的做法是在二極管上并電容C 或RC，或串聯(lián)電感。
4，在二極管上并電容C 或RC
二極管高速導通截止時，要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復期間，等效電感和等效電容成為一個RC 振蕩器，產生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩，需在二極管兩端并聯(lián)電容C或RC 緩沖網(wǎng)絡。電阻一般取10Ω-100Ω，電容取4.7pF-2.2nF。
在二極管上并聯(lián)的電容C 或者RC，其取值要經(jīng)過反復試驗才能確定。如果選用不當，反而會造成更嚴重的振蕩。
對高頻噪聲要求嚴格的話，可以采用軟開關技術。關于軟開關，有很多書專門介紹。
5，二極管后接電感(EMI 濾波)
這也是常用的抑制高頻噪聲的方法。針對產生噪聲的頻率，選擇合適的電感元件，同樣能夠有效地抑制噪聲。需要注意的是，電感的額定電流要滿足實際的要求。
另外，SWITCH 一般選用雙極性晶體管或者MOSFET，不管是哪種，在其導通和截止的時候，都會有一個上升時間和下降時間。這時候在電路中就會出現(xiàn)一個與SWITCH 上升下降時間的頻率相同或者奇數(shù)倍頻的噪聲，一般為幾十MHz。同樣二極管D 在反向恢復瞬間，其等效電路為電阻電容和電感的串聯(lián)，會引起諧振，產生的噪聲頻率也為幾十MHz。這兩種噪聲一般叫做高頻噪聲，幅值通常要比紋波大得多。
如果是AC/DC 變換器，除了上述兩種紋波(噪聲)以外，還有AC 噪聲，頻率是輸入AC 電源的頻率，為50～60Hz 左右。還有一種共模噪聲，是由于很多開關電源的功率器件使用外殼作為散熱器，產生的等效電容導致的。因為本人是做汽車電子研發(fā)的，對于后兩種噪聲接觸較少，所以暫不考慮。
開關電源紋波的測量
基本要求：使用示波器AC 耦合，20MHz 帶寬限制，拔掉探頭的地線
1，AC 耦合是去掉疊加的直流電壓，得到準確的波形。
2，打開20MHz 帶寬限制是防止高頻噪聲的干擾，防止測出錯誤的結果。因為高頻成分幅值較大，測量的時候應除去。
3，拔掉示波器探頭的接地夾，使用接地環(huán)測量，是為了減少干擾。很多部門沒有接地環(huán)，如果誤差允許也直接用探頭的接地夾測量。但在判斷是否合格時要考慮這個因素。
還有一點是要使用50Ω 終端。橫河示波器的資料上介紹說，50Ω 模塊是除去DC 成分，精確測量AC 成分。但是很少有示波器配這種專門的探頭，大多數(shù)情況是使用標配100KΩ 到10MΩ 的探頭測量，影響暫時不清楚。
上面是測量開關紋波時基本的注意事項。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點，應該用雙絞線，或者50Ω 同軸電纜方式測量。
在測量高頻噪聲時，使用示波器的全通帶，一般為幾百兆到GHz 級別。其他與上述相同。
可能不同的公司有不同的測試方法。歸根到底第一要清楚自己的測試結果。第二要得到客戶認可。
關于示波器：
有些數(shù)字示波器因為干擾和存儲深度的原因，無法正確的測量出紋波。這時應更換示波器。這方面有時候雖然老的模擬示波器帶寬只有幾十兆，但表現(xiàn)要比數(shù)字示波器好。泰克公司有專門分開測量上述兩種紋波(噪聲)的軟件，可以看一下參考資料5。同樣，關于示波器的接地，電源測試的相關知識，也可以看一下。
開關電源紋波的抑制
對于開關紋波，理論上和實際上都是一定存在的。通常抑制或減少它的做法有三種：
1，加大電感和輸出電容濾波
根據(jù)開關電源的公式，電感內電流波動大小和電感值成反比，輸出紋波和輸出電容值成反比。所以加大電感值和輸出電容值可以減小紋波。
同樣，輸出紋波與輸出電容的關系：vripple=Imax/(Co×f)。可以看出，加大輸出電容值可以減小紋波。
通常的做法，對于輸出電容，使用鋁電解電容以達到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻噪聲方面效果不是很好，而且ESR 也比較大，所以會在它旁邊并聯(lián)一個陶瓷電容，來彌補鋁電解電容的不足。
同時，開關電源工作時，輸入端的電壓Vin 不變，但是電流是隨開關變化的。這時輸入電源不會很好地提供電流，通常在靠近電流輸入端(以BucK 型為例，是SWITcH 附近)，并聯(lián)電容來提供電流。
上面這種做法對減小紋波的作用是有限的。因為體積限制，電感不會做的很大;輸出電容增加到一定程度，對減小紋波就沒有明顯的效果了;增加開關頻率，又會增加開關損失。所以在要求比較嚴格時，這種方法并不是很好。關于開關電源的原理等，可以參考各類開關電源設計手冊。
2，二級濾波，就是再加一級LC 濾波器
LC 濾波器對噪紋波的抑制作用比較明顯，根據(jù)要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構成濾波電路，一般能夠很好的減小紋波。
采樣點選在LC 濾波器之前(Pa)，輸出電壓會降低。因為任何電感都有一個直流電阻，當有電流輸出時，在電感上會有壓降產生，導致電源的輸出電壓降低。而且這個壓降是隨輸出電流變化的。
采樣點選在LC 濾波器之后(Pb)，這樣輸出電壓就是我們所希望得到的電壓。但是這樣在電源系統(tǒng)內部引入了一個電感和一個電容，有可能會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。關于系統(tǒng)穩(wěn)定，很多資料有介紹，這里不詳細寫了。
3，開關電源輸出之后，接LDO 濾波
這是減少紋波和噪聲最有效的辦法，輸出電壓恒定，不需要改變原有的反饋系統(tǒng)，但也是成本最高，功耗最高的辦法。任何一款LDO 都有一項指標：噪音抑制比。是一條頻率-dB 曲線，如右圖是凌特公司LT3024 的曲線。
對減小紋波。開關電源的PCB 布線也非常關鍵，這是個很赫手的問題。有專門的開關電源PCB 工程師，對于高頻噪聲，由于頻率高幅值較大，后級濾波雖然有一定作用，但效果不明顯。這方面有專門的研究，簡單的做法是在二極管上并電容C 或RC，或串聯(lián)電感。
4，在二極管上并電容C 或RC
二極管高速導通截止時，要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復期間，等效電感和等效電容成為一個RC 振蕩器，產生高頻振蕩。為了抑制這種高頻振蕩，需在二極管兩端并聯(lián)電容C或RC 緩沖網(wǎng)絡。電阻一般取10Ω-100Ω，電容取4.7pF-2.2nF。
在二極管上并聯(lián)的電容C 或者RC，其取值要經(jīng)過反復試驗才能確定。如果選用不當，反而會造成更嚴重的振蕩。
對高頻噪聲要求嚴格的話，可以采用軟開關技術。關于軟開關，有很多書專門介紹。
5，二極管后接電感(EMI 濾波)
這也是常用的抑制高頻噪聲的方法。針對產生噪聲的頻率，選擇合適的電感元件，同樣能夠有效地抑制噪聲。需要注意的是，電感的額定電流要滿足實際的要求。
| 【上一個】 開關電源防雷知識要點 | 【下一個】 2014年開關電源主力市場分析 |
| ^ 開關電源紋波產生分析測量 |