PCB 电源纹波

PCB设计必须掌握:开关电源纹波测量和抑制方法

2019-06-14
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来自嵌入式ARM.png


开关稳压电源非常关键的一个指标就是纹波,它主要是由开关变换的方式导致的,也因纹波的存在会影响到后续电路的工作,尤其是在对纹波比较敏感的场合下。如何正确测量开关电源纹波?如何有效抑制开关电源的纹波以达到供电电路的要求?这些都是PCB设计工程师需要掌握的重要技能。


开关电源纹波的测量


要有效降低开关电源输出纹波我们首先得有个比较靠谱的测试方法,不能是由于测试方法的问题而导致的假波形是整改不好的


基本要求:使用示波器AC 耦合,20MHz 带宽限制,拔掉探头的地线


1,AC 耦合是去掉叠加的直流电压,得到准确的波形。


2,打开20MHz 带宽限制是防止高频噪声的干扰,防止测出错误的结果。因为高频成分幅值较大,测量的时候应除去。


3,拔掉示波器探头的接地夹,使用接地环测量,是为了减少干扰。很多部门没有接地环,如果误差允许也直接用探头的接地夹测量。但在判断是否合格时要考虑这个因素。


还有一点是要使用50Ω 终端。横河示波器的资料上介绍说,50Ω 模块是除去DC 成分,精确测量AC 成分。但是很少有示波器配这种专门的探头,大多数情况是使用标配100KΩ 到10MΩ 的探头测量,影响暂时不清楚。


上面是测量开关纹波时基本的注意事项。如果示波器探头不是直接接触输出点,应该用双绞线,或者50Ω 同轴电缆方式测量。


在测量高频噪声时,使用示波器的全通带,一般为几百兆到GHz 级别。其他与上述相同。


可能不同的公司有不同的测试方法。归根到底第一要清楚自己的测试结果。第二要得到客户认可。


关于示波器:


有些数字示波器因为干扰和存储深度的原因,无法正确的测量出纹波。这时应更换示波器。这方面有时候虽然老的模拟示波器带宽只有几十兆,但表现要比数字示波器好。


开关电源纹波的抑制


对于开关纹波,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五种:



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。


上图是开关电源电感L内的电流波形,其纹波电流△I可由下式算出:


可以看出,增加L值,或者提高开关频率可以减小电感内的电流波动。


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。


应用该对策后,BUCK型开关电源如下图所示:


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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。


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。


但是,这种情况下需要考虑反馈比较电压的采样点。(如下图所示)


图片.png


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。


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。


图片.png


经过LDO之后,开关纹波一般在10mV以下。


下图是LDO前后的纹波对比:


图片.png


对比曲线上图的曲线和左图的波形,可以看出对几百KHz的开关纹波,LDO的抑制效果非常好。但在高频范围内,该LDO的效果就不那么理想了。


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。


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。


在二极管上并电容C 或RC


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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。


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。



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