開關(guān)電源的紋波和噪聲是一個(gè)本質(zhì)問題,換而言之無論紋波和噪聲多么小,也無法從根本上去除,再絕對的講開關(guān)電源無論成本怎么提高,也無法完全達(dá)到線性電源的性能和特點(diǎn)。那么,通常抑制或減少它的做法有五種:
1、加大電感和輸出電容濾波
根據(jù)開關(guān)電源的公式,電感內(nèi)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(guān)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(dá)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(gè)陶瓷電容,來彌補(bǔ)鋁電解電容的不足。
同時(shí),開關(guān)電源工作時(shí),輸入端的電壓Vin 不變,但是電流是隨開關(guān)變化的。這時(shí)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?yàn)轶w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(guān)頻率,又會增加開關(guān)損失。所以在要求比較嚴(yán)格時(shí),這種方法并不是很好。關(guān)于開關(guān)電源的原理等,可以參考各類開關(guān)電源設(shè)計(jì)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(gòu)成濾波電路,一般能夠很好的減小紋波。
采樣點(diǎn)選在LC 濾波器之前(Pa),輸出電壓會降低。因?yàn)槿魏坞姼卸加幸粋€(gè)直流電阻,當(dāng)有電流輸出時(shí),在電感上會有壓降產(chǎn)生,導(dǎo)致電源的輸出電壓降低。而且這個(gè)壓降是隨輸出電流變化的。
采樣點(diǎn)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(nèi)部引入了一個(gè)電感和一個(gè)電容,有可能會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定,很多資料有介紹,這里不詳細(xì)寫了。
3、開關(guān)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(xiàng)指標(biāo):噪音抑制比。是一條頻率-dB 曲線。
對減小紋波。開關(guān)電源的PCB 布線也非常關(guān)鍵,這是個(gè)很赫手的問題。有專門的開關(guān)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(dǎo)通截止時(shí),要考慮寄生參數(shù)。在二極管反向恢復(fù)期間,等效電感和等效電容成為一個(gè)RC 振蕩器,產(chǎn)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(luò)。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(fù)試驗(yàn)才能確定。如果選用不當(dāng),反而會造成更嚴(yán)重的振蕩。
對高頻噪聲要求嚴(yán)格的話,可以采用軟開關(guān)技術(shù)。關(guān)于軟開關(guān),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(chǎn)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(shí)際的要求。
小結(jié)
開關(guān)電源的應(yīng)用和趨勢事實(shí)上從未停止過,解決開關(guān)電源的場合應(yīng)用問題最根本的最大的方向是受干擾用電設(shè)備與開關(guān)電源設(shè)計(jì)的干擾頻點(diǎn)匹配問題,解決這一關(guān)鍵影響才是開關(guān)電源應(yīng)用的宗旨和目的,任何一個(gè)易受干擾設(shè)備,無論多么的復(fù)雜和精密它都會有一個(gè)干擾范圍和頻點(diǎn)。