开关电源工作时,如何抑制纹波和减小高频噪声?

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开关电源的纹波和噪声是一个本质问题,换而言之无论纹波和噪声多么小,也无法从根本上去除,再绝对的讲开关电源无论成本怎么提高,也无法完全达到线性电源的性能和特点。那么,通常抑制或减少它的做法有五种:

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。

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-100Ω,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。

小结:开关电源的应用和趋势事实上从未停止过,解决开关电源的场合应用问题最根本的最大的方向是受干扰用电设备与开关电源设计的干扰频点匹配问题,解决这一关键影响才是开关电源应用的宗旨和目的,任何一个易受干扰设备,无论多么的复杂和精密它都会有一个干扰范围和频点。

文章来源:电磁兼容测试

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