降低开关电源纹波的几大要素

2024-01-08

在电子电气设备中,开关电源早已被被广泛应用于各种应用领域,如通信、计算机、工业控制等。然而,开关电源的输出往往会伴随着一定的纹波电压和纹波电流,这可能会对电子设备的稳定性和性能产生负面影响。因此,降低开关电源纹波成为了提高电源质量的重要课题。要实现这一目标,有几个关键要素需要被重视和优化。本文将介绍降低开关电源纹波的几大要素,帮助读者更好地理解和应用这些要素。

01

增大电感和输出电容器的滤波

根据开关电源方式,电感的电流变动幅度和电感值成反比,输出纹波和输出电容值成反比。当增大电感值和输出电容值时,可以减小纹波。类似地,输出纹波和输出容量之间的关系: 

vripple=Imax/(Co×f )

可以看出,当增大输出电容值时,可以减小纹波。在通常的做法中,输出电容器使用铝电解电容器,达到了大容量的目的。但是,由于电解电容器没有抑制高频噪声的效果,ESR也很大,因此在其旁边并联连接陶瓷电容器来弥补铝电解电容器的不足。

滤波电容的ESR和ESL是非常重要的参数,越低越好,仅追求容量是远远不够的,当然在满足足够低的ESR和ESL的前提下,容量大些较好。开关电源的滤波电容优选X7R或X5R电容与钽电解的组合,纹波稍放宽可用Y5V电容和瘦高外观的铝电解(低ESL型)配合。

其它,在开关电源动作的期间,输入端的电压Vin不变化,但是电流通过开关而变化。此时,输入电源无法供给电流,但通常在电流输入端子( BucK型例中为SWITcH附近)附近连接并联电容器来供给电流。这种做法只限于减少纹波。由于体积限制,电感器的输出容量不会在某种程度上变大,在减小纹波时若增大无效的开关频率,则开关损耗变大。因此,在要求严格的情况下,这种方法不太好。

至于储能电感,在工作频率下的Q值越大越好,很多人只注意到电感量,其实Q值的影响要大得多,电感量只要满足要求允许在很大范围内波动。

 

02

2次滤波器(追加LC滤波器)

 

已知LC滤波器对噪声纹波的抑制作用,但是要根据除去的频率选择适当的电感电容值来配置滤波器电路,这样才能有效的降低纹波。将采样点选择为LC滤波前( Pa )时,输出电压会下降。任何电感都有直流电阻,因此有电流输出时,电感会产生电压下降,电源的输出电压下降。而且,该电压降随输出电流而变化。在采样点选择LC滤波器后( Pb ),输出电压变为我们要求的电压。但是,像这样在电源系统内部导入电感器和电容器的话,系统有可能变得不稳定。

降低开关电源纹波的几大要素 (https://ic.work/) 电源管理 第1张

03

在二极管上并联连接电容器C或RC线

 

二极管高速通断时,考虑寄生参数。在二极管的反向恢复期间中,等效电感和等效电容成为RC振荡器,产生高频振荡。为了抑制这样的高频振荡,需要在二极管的两端并联连接电容器C或RC缓冲网络。电阻一般为10Ω-100 Ω,电容器为4.7pF-2.2nF。

当然以上是经验值,实际设计必须通过重复测试来确定和二极管并联连接的电容器C或RC的值。做出不恰当的选择反而会引起很大的振动。

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04

二极管后置电感( EMI滤波器)

 

这也是抑制高频噪声的常用方法。通过为不产生噪声的频率选择适当的电感元件,可以类似地有效地抑制噪声。请注意,电感的额定电流符合实际要求。 

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05

PCB良好的设计布局

 

开关电源的PCB设计非常重要,在前两个条件都满足时如果纹波参数还是达不到手册中载明的数值,问题就可以肯定是出在PCB上,开关电源芯片的取样及滤波回 路的设计非常讲究,PCB分布参数会导致调整误差或滤波效率变差,严重时甚至可能导致自激(一般在特定的负载强度下发生),故不得不查。原则是取样回路和 滤波回路要尽量贴近开关电源IC,PCB走线不可太长、太细,类似的储能电感也有同样原则,只是影响稍小,布局、走线不利相当于降低了电感的Q值。 

 

举个例子

不良的PCB布局如下图所示,变压器输出的GND,直接通过过孔连到背部的地平面,地平面连接电源的输出引脚。此布局在输出5V/2A的负载下,实测电源尖峰达1.5V VP-P。变压器上的噪声没有经过输出的滤波电容直接通过了输出引脚,导致纹波噪声很大。

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如下图所示是比较好的PCB布局,调整了变压器的位置,将变压器输出地通过两个电容后,再回到地平面和输出引脚相连。实测在相同5V/2A输出的负载下,噪声已降到60mV VP-P,差别显著。

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