DC-DC转换过程中会产生纹波。由于布局的差异,相同的电路原理图也会产生不同的纹波,因此PCB布局后需要测试纹波信号。这里举一个例子来说明。
这就是原始的纹波信号,如下图:
纹波约为150mv。改进后纹波为10mv,如下图:(这里测量的是DC5V的位置,没有特殊要求,一般我们认为纹波小于50mv。)
1.增加电感和输出电容滤波
根据开关电源的公式,电感中的电流波动与电感值成反比,输出纹波与输出电容值成反比。因此,增加电感值和输出电容值可以减少纹波。
同样,输出纹波与输出电容的关系:vripple=Imax/(Cof)。可见,增大输出电容值可以减小纹波。
通常的做法是使用铝电解电容器作为输出电容器以实现大容量。但电解电容对于抑制高频噪声效果不是很好,而且ESR比较大,所以在旁边并联了一个陶瓷电容来弥补铝电解电容的缺点。
同时,开关电源工作时,输入端电压Vin保持不变,但电流随着开关的变化而变化。此时,输入电源将不能很好地提供电流。通常在靠近电流输入端(以BucK型为例,靠近SWITcH)并联一个电容来提供电流。
上述方法对于降低纹波效果有限。由于体积限制,电感不会很大;将输出电容增大到一定程度,对于降低纹波没有明显效果;增加开关频率会增加开关损耗。所以当要求比较严格的时候这个方法就不太好了。关于开关电源的原理等,可以参考各种开关电源设计手册。
2、二级滤波是增加二级LC滤波器。
LC滤波器对噪声纹波有比较明显的抑制效果。根据要去除的纹波频率选择合适的电感和电容组成滤波电路,一般可以很好地降低纹波。
如果采样点选在LC滤波器(Pa)之前,输出电压将会降低。由于任何电感都有直流电阻,当有电流输出时,电感上会产生压降,导致电源的输出电压下降。并且这个电压降随着输出电流的变化而变化。
采样点选在LC滤波器(Pb)之后,这样输出电压就是我们想要的电压。然而,这在供电系统内部引入了电感和电容,可能会导致系统不稳定。关于系统稳定性,已经介绍了很多,这里不再赘述。
3、开关电源输出后,连接LDO滤波器
这是减少纹波和噪声的最有效方法。输出电压恒定,无需改变原有反馈系统。不过,这也是最省钱、最耗电的方式。任何LDO都有一个指标:噪声抑制比。是频率-dB曲线,如右图,是Linear Technology公司LT3024的曲线。
以减少纹波。开关电源的PCB布线也非常关键,是一个非常棘手的问题。有专门的开关电源PCB工程师。对于高频噪声,由于频率高、幅度大,后级滤波虽然有一定效果,但效果并不明显。这方面有专门的研究。简单的方法是在二极管上加一个电容C或RC,或者串联一个电感。
4. 将电容器C 或RC 连接到二极管
当二极管高速开通和关断时,必须考虑寄生参数。在二极管反向恢复期间,等效电感和等效电容成为RC振荡器,产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡,需要在二极管两端并联一个电容器C或RC缓冲网络。电阻一般为10-100,电容为4.7pF-2.2nF。
与二极管并联的电容C或RC的值只能通过反复试验来确定。如果选择不当,会引起更严重的振荡。
如果对高频噪声要求严格,可以采用软开关技术。有很多专门讨论软交换的书籍。
5.二极管后面接一个电感(EMI滤波)
这也是抑制高频噪声常用的方法。针对产生噪声的频率选择合适的电感元件也可以有效抑制噪声。需要注意的是,电感的额定电流必须满足实际要求。
审稿人:刘庆