电源纹波 //www.ferranmv.com/tags/dianyuanwenbo zh-hans 开关电源纹波,抑制或减少的5种方法 //www.ferranmv.com/article/2020-05/1003516.html 开关电源纹波,抑制或减少的5种方法
judy 周六, 05/09/2020 - 16:03

纹波,理论上和实际上都是一定存在的。通常抑制或减少它的做法有5种:

1、加大电感和输出电容滤波

根据开关电源的公式,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。

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,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。

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。关于开关电源的原理等,可以参考各类开关电源设计手册。

2、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。

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。

3、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。

对减小纹波。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,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。

4、在二极管上并电容C或RC

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-100 Ω,电容取4.7pF-2.2nF。

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。

5、二极管后接电感(EMI滤波)

这也是常用的抑制高频噪声的方法。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。

小结

以上是关于开关电源纹波,总结的一些内容,如果能加些波形就更好了。虽然可能不太全,但对一般的应用已经足够了。关于噪声抑制,实际中并不一定全部应用,重要的是根据自己的设计要求,比如产品体积,成本,开发周期等,选择合适的方法。

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Sat, 09 May 2020 08:03:33 +0000 judy 1003516 at //www.ferranmv.com //www.ferranmv.com/article/2020-05/1003516.html#comments
硬件测试之“电源纹波和噪声测试” //www.ferranmv.com/article/2019-10/1003092.html 硬件测试之“电源纹波和噪声测试”
demi 周一, 10/14/2019 - 10:01

本文主要介绍电源纹波和噪声及其测试方法。

电源测试中最常见的一项就是测试纹波和噪声,电源波形包括很多成分,如下图所示,B是RIPPLE,C是NOISE,A是RIPPLE+NOISE。

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电源的纹波主要来自开关管(电容的充放电,PWM调解产生。当然也有一部分低频噪声,如一次电源的波纹还和50Hz的工频有关),而电源的开关管工作在几十KHz到几MHz,在测试的时候使用20MHz的带宽,就是为了把高频的噪声去掉,保证测出来的是电源本身的问题,而不是高频干扰。

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噪声的测试需要使用全频带,因为有时信号需要以电源平面作为参考面,必要时使用频谱分析仪分析高频噪声的频段。而高频信号的电压一般在几百mV,且信号能产生的磁场很弱,相对于电源而言,对电源的影响很小,可以忽略。

电源测试方法:使用“接地弹簧”接地,避免长接地线带来的不必要干扰。带宽选择“20MHz”带宽限制,以防止高频噪声对测试结果造成不必要的干扰和影响(为了把非电源的东西全滤掉,看起来更直观)。时间格设置在开关电源PWM频率左右。纹波是抓开关电源输出电压的波动。噪声测试必须采用全带宽测试,要求时间格在200nS/DIV;一般是抓比开关频率高的杂波或者余波。

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在系统板卡的模块上一般来说,纹波影响芯片的基本性能和稳定性。噪声影响收发数据可靠性、丢包率等。

对于电源系统(PDS)来说,主要包括Source端(VRM,Voltage Regulator Module)和Sink端(Chip)。对于Source端来讲,测试的是电源输出的纹波,示波器选择20MHz的原因是在Source端有很多电源本身的Noise Source,比如说FET、还有电感,如果用全带宽的话,几乎大部分Noise Source都会耦合到探头上面来,这样的话根本测试不到真正电源输出纹波。对于Sink端来讲,不仅要考虑电源模块本身的Noise,还要考虑PDS中的其他因素,比如Power Plane的谐振,比如其他Noise(VDC之类)耦合到Power Plane,比如芯片本身的SSN等等,这个时候如果用20MHz带宽的话,反而会遗漏掉很多电源Noise,从而影响PI效果。所以,在Power Source端,应该用20MHz带宽去测试,而在SINK端的PI测试,则需要用全带宽去测试。

以上就是针对电源的纹波和噪声的测试。

来源:硬件助手

Mon, 14 Oct 2019 02:01:28 +0000 demi 1003092 at //www.ferranmv.com //www.ferranmv.com/article/2019-10/1003092.html#comments
开关电源降低纹波的3个方面 //www.ferranmv.com/article/2018-10/1002121.html 开关电源降低纹波的3个方面
judy 周二, 10/16/2018 - 09:44

开关电源要降低纹波主要要在以下三个方面下功夫:

  1、储能电感。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。

  2、滤波电容。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。

  3、PCB设计。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。

  最后要说的是,因开关电源IC的内电路设计不同纹波指标也是不同的,多数情况下,开关频率高的容易获得较低的纹波,但价格及对外围元件的要求相对更高,所以要根据需要合理选择,够用即可,否则要付出不必要的成本,器件手册的仔细阅读及理解是第一步。

文章来源:网络

Tue, 16 Oct 2018 01:44:59 +0000 judy 1002121 at //www.ferranmv.com //www.ferranmv.com/article/2018-10/1002121.html#comments
电源纹波产生的原因及去耦电容的选取 //www.ferranmv.com/article/2017-11/1000999.html 电源纹波产生的原因及去耦电容的选取
judy 周五, 11/17/2017 - 09:39

1.电源纹波产生的原因

首先说明一下芯片电源引脚产生纹波的原因。如下是一个典型的门电路输出级,当输出为高时,Q3导通,Q4截止;相反,当输出为低时,Q3截止,Q4导通,这两种状态都在电源和地之间形成了高阻态,限制了电源的电流。

 图1 典型门电路输出级

图1 典型门电路输出级

但是,当状态发生变化时,会有一段时间Q3 Q4同时导通,这时在电源与地之间形成短暂的低阻抗,产生30- 100mA的尖峰电流。当门输出有低变高时,电源不仅提供短路的电流,还要给寄生电容充电,使这个电流的峰值更大。由于电源线和地线总是有不同程度的电感,当电流突变时,会在电源线和地线上产生压降,这就是电源线和地线上的噪声;尤其对于周期信号,这样的噪声更明显,如下图。

 图2 电源线和地线上的噪声

图2 电源线和地线上的噪声

去耦电源是去除噪声的一种方法。当所有的信号脚工作于最大容量负载下同时开关时,去耦电容还提供给元件在时钟和数据变化期间正常工作所需的动态电压和电流。

去耦是通过在信号和电源平面之间提供一个低阻抗的电源来实现的。

2.电容的阻抗与谐振频率与去耦

1)电容去耦原理:电容在频率升高到谐振点之前,随着频率升高,阻抗降低,这就给高频噪声提供了一个低阻抗的泄放途径,剩下的低频能量就不足以发射出去了。

2)常用电容: 0.1uF和0.01uF电容是当今高速电路中最常用的去耦电容。一般来说SMT的电容的自谐振点不会超过500MhZ,而0.01uF电容的自谐振点在50-150MhZ之间;而且在实际使用中引线电感及过孔的存在会进一步降低谐振点,这使得再小的电容,实际的去耦频率也不会超过300MhZ。

3)电容并联:相同容值的电容并联,引线电感和寄生电感会因为并联而减小,使得整体阻抗减小,这样有利于提高去耦频率,同时,电容并联也能提供更多的能量。

4)电源层与地层构成电容:在多层PCB中,依赖电源层和地层形成的板间电容,有着较低的ESL,这也是高频去耦的重要手段。

5)去耦电容的选择:去耦电容不要什么都用0.1uF,要考虑去耦器件的工作频率和谐波。工作主频20Mhz以下的,用0.1uF,20M hz以上的用0.01uF,甚至更小的,并与0.1uF并联使用。(若添加磁珠,电容靠近IC,磁珠远离IC)

Fri, 17 Nov 2017 01:39:05 +0000 judy 1000999 at //www.ferranmv.com //www.ferranmv.com/article/2017-11/1000999.html#comments