直流穩(wěn)壓電源紋波噪聲來源分析
2017-6-29 11:37:15??????點(diǎn)擊：
一.什么是直流穩(wěn)壓電源紋波?
直流穩(wěn)壓電源紋波(ripple)的定義是指在直流直流穩(wěn)壓電源電壓或直流穩(wěn)壓電源電流中,疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分量。
它主要有以下害處：
1.1．容易在用電器上產(chǎn)生諧波，而諧波會(huì)產(chǎn)生更多的危害；
1.2．降低了直流穩(wěn)壓電源的效率；
1.3．較強(qiáng)的直流穩(wěn)壓電源紋波會(huì)造成浪涌直流穩(wěn)壓電源電壓或直流穩(wěn)壓電源電流的產(chǎn)生，導(dǎo)致燒毀用電器；
1.4．會(huì)干擾數(shù)字直流穩(wěn)壓電源電路的邏輯關(guān)系，影響其正常工作；
1.5．會(huì)帶來噪音干擾，使圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能正常工作。
二、直流穩(wěn)壓電源紋波的表示方法
可以用有效值或峰值來表示，或者用絕對(duì)量、相對(duì)量來表示；
單位通常為：mV
例如：
一個(gè)直流穩(wěn)壓電源工作在穩(wěn)壓狀態(tài),其輸出為12V5A，測(cè)得直流穩(wěn)壓電源紋波的有效值為10mV，這10mV就是直流穩(wěn)壓電源紋波的絕對(duì)量，而相對(duì)量即直流穩(wěn)壓電源紋波系數(shù)=直流穩(wěn)壓電源紋波直流穩(wěn)壓電源電壓/輸出電壓=10mv/12V=0.12%。
三、直流穩(wěn)壓電源紋波的測(cè)試方法
3.1．以20M示波器帶寬為限制標(biāo)準(zhǔn)，直流穩(wěn)壓電源電壓設(shè)為PK-PK(也有測(cè)有效值的)，去除示波器控頭上的夾子與地線 (因?yàn)檫@個(gè)本身的夾子與地線會(huì)形成環(huán)路，像一個(gè)天線接收雜訊，引入一些不必要的雜訊)，使用接地環(huán)（不使用接地環(huán)也可以，不過要考慮其產(chǎn)生的誤差），在探頭上并聯(lián)一個(gè)10UF電解電容與一個(gè)0.1UF瓷片電容，用示波器的探針直接進(jìn)行測(cè)試；如果示波器探頭不是直接接觸輸出點(diǎn)，應(yīng)該用雙絞線，或者50Ω同軸電纜方式測(cè)量。
四、開關(guān)直流穩(wěn)壓電源紋波的主要分類
開關(guān)直流穩(wěn)壓電源輸出直流穩(wěn)壓電源紋波主要來源于五個(gè)方面：
4.1.輸入低頻直流穩(wěn)壓電源紋波;
4.2.高頻直流穩(wěn)壓電源紋波;
4.3.寄生參數(shù)引起的共模直流穩(wěn)壓電源紋波噪聲;
4.4.功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲;
4.5.閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的直流穩(wěn)壓電源紋波噪聲。
4.1、輸入低頻直流穩(wěn)壓電源紋波:
低頻直流穩(wěn)壓電源紋波是與輸出直流穩(wěn)壓電源電路的濾波電容容量相關(guān)。電容的容量不可能無限制地增加，導(dǎo)致輸出低頻直流穩(wěn)壓電源紋波的殘留。
交流直流穩(wěn)壓電源紋波經(jīng)DC/DC變換器衰減后，在開關(guān)直流穩(wěn)壓電源輸出端表現(xiàn)為低頻噪聲，其大小由DC/DC變換器的變比和控制系統(tǒng)的增益決定。
直流穩(wěn)壓電源電流型控制DC/DC變換器的直流穩(wěn)壓電源紋波抑制比直流穩(wěn)壓電源電壓型稍有提高。但其輸出端的低頻交流直流穩(wěn)壓電源紋波仍較大。要實(shí)現(xiàn)開關(guān)直流穩(wěn)壓電源的低直流穩(wěn)壓電源紋波輸出，必須對(duì)低頻直流穩(wěn)壓電源紋波采取濾波措施。
可采用前級(jí)預(yù)穩(wěn)壓和增大DC/DC變換器閉環(huán)增益來消除。
低頻直流穩(wěn)壓電源紋波抑制的幾種常用的方法:
a、加大輸出低頻濾波的電感，電容參數(shù)。
●電容上的直流穩(wěn)壓電源紋波有兩個(gè)成分,一個(gè)是充放電時(shí)的直流穩(wěn)壓電源電壓升降量，一個(gè)是直流穩(wěn)壓電源電流進(jìn)出電容時(shí)ESR上的I*R直流穩(wěn)壓電源電壓降量。
●通過輸出直流穩(wěn)壓電源紋波與輸出電容的關(guān)系式：vripple=Imax/(Co×f)可以看出，加大輸出電容值可以減小直流穩(wěn)壓電源紋波。
●或者考慮采用并聯(lián)的方式減小ESR值,或者使用LOW ESR電容。
b、采用前饋控制方法，降低低頻直流穩(wěn)壓電源紋波分量。
●feed forward control (FFC) 前饋控制是按照擾動(dòng)產(chǎn)生校正作用的一種調(diào)節(jié)方式，主要用于一些純滯后或容量滯后較大的被控參數(shù)的控制。
●其目的是加速系統(tǒng)響應(yīng)速度，改善系統(tǒng)的調(diào)節(jié)品質(zhì)。
4.2、高頻直流穩(wěn)壓電源紋波:
高頻直流穩(wěn)壓電源紋波噪聲來源于高頻功率開關(guān)變換直流穩(wěn)壓電源電路
在直流穩(wěn)壓電源電路中，通過功率器件對(duì)輸入直流穩(wěn)壓電源電壓進(jìn)行高頻開關(guān)變換后整流濾波再實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出的，在其輸出端含有與開關(guān)工作頻率相同頻率的高頻直流穩(wěn)壓電源紋波，其對(duì)外直流穩(wěn)壓電源電路的影響大小主要和開關(guān)直流穩(wěn)壓電源的變換頻率、輸出濾波器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)有關(guān)；
設(shè)計(jì)中盡量提高功率變換器的工作頻率，可以減少對(duì)高頻開關(guān)直流穩(wěn)壓電源紋波的濾波要求。
高頻直流穩(wěn)壓電源紋波抑制常用的方法有以下幾種：
a、提高開關(guān)直流穩(wěn)壓電源工作頻率，以提高高頻直流穩(wěn)壓電源紋波頻率，其直流穩(wěn)壓電源紋波直流穩(wěn)壓電源電流△I可由下式算出：
●可以看出，增加L值，或者提高開關(guān)頻率可以減小電感內(nèi)的直流穩(wěn)壓電源電流波動(dòng)。
b、加大輸出高頻濾波器，可以抑制輸出高頻直流穩(wěn)壓電源紋波。
c、采用多級(jí)濾波。
●一般濾波多采用C型、LC型、CLC型，為了更好的抑制直流穩(wěn)壓電源紋波，可以采用增加多一級(jí)LC濾波。
4.3、寄生參數(shù)引起的共模直流穩(wěn)壓電源紋波噪聲:
由于功率器件與散熱器底板和變壓器原、副邊之間存在寄生電容，導(dǎo)線存在寄生電感，減小與控制功率器件、變壓器與機(jī)殼地之間的寄生電容，并將散熱器有效接地（根據(jù)不同情況，可選擇通過電容接地，或電容串電阻接地），同時(shí)在輸出側(cè)加共模電感及電容，可減小輸出的共模直流穩(wěn)壓電源紋波噪聲。
因此當(dāng)矩形波直流穩(wěn)壓電源電壓作用于功率器件時(shí)，開關(guān)直流穩(wěn)壓電源的輸出端因此會(huì)產(chǎn)生共模直流穩(wěn)壓電源紋波噪聲。減小與控制功率器件、變壓器與機(jī)殼地之間的寄生電容，并在輸出側(cè)加共模抑制電感及電容，可減小輸出的共模直流穩(wěn)壓電源紋波噪聲。
減小輸出共模直流穩(wěn)壓電源紋波噪聲的常用方法:
a、輸入、輸出采用專門設(shè)計(jì)的EMI濾波器。
b、降低開關(guān)毛刺幅度。
●主開關(guān)管是開關(guān)直流穩(wěn)壓電源的核心器件，同時(shí)也是干擾源。其工作頻率直接與電磁干擾的強(qiáng)度相關(guān)。隨著開關(guān)管的工作頻率升高，開關(guān)管直流穩(wěn)壓電源電壓、直流穩(wěn)壓電源電流的切換速度加快，其傳導(dǎo)干擾和輻射干擾也隨之增加。
●此外，主開關(guān)管上反并聯(lián)的鉗位二極管的反向恢復(fù)特性不好，或者直流穩(wěn)壓電源電壓尖峰吸收直流穩(wěn)壓電源電路的參數(shù)選擇不當(dāng)也會(huì)造成電磁干擾。
4.4、功率器件開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲
超高頻諧振噪聲主要來源于：
※ 高頻整流二極管反向恢復(fù)時(shí)二極管結(jié)電容、功率器件開關(guān)
※ 時(shí)功率器件結(jié)電容與線路寄生電感的諧振；
※ 頻率一般為1-10MHz；
通過選用軟恢復(fù)特性二極管、結(jié)電容小的開關(guān)管和減少布線長(zhǎng)度等措施可以減少超高頻諧振噪聲。
a、理想的二極管在承受反向直流穩(wěn)壓電源電壓時(shí)截止，不會(huì)有反向直流穩(wěn)壓電源電流通過。
●而實(shí)際二極管正向?qū)〞r(shí)，PN結(jié)內(nèi)的電荷 被積累，當(dāng)二極管承受反向直流穩(wěn)壓電源電壓時(shí)，PN結(jié)內(nèi)積累的電荷將釋放并形成一個(gè)反向恢復(fù)直流穩(wěn)壓電源電流，它恢復(fù)到零點(diǎn)的時(shí)間與結(jié)電容等因素有關(guān)。反向恢復(fù)直流穩(wěn)壓電源電流在變壓器漏感和其他分布參數(shù)的影響下將產(chǎn)生較強(qiáng)烈的高頻衰減振蕩。
●因此，輸出整流二極管的反向恢復(fù)噪聲也成為開關(guān)直流穩(wěn)壓電源中一個(gè)主要的干擾源。
●二極管反向恢復(fù)的等效直流穩(wěn)壓電源電路如下：
●圖4中：R0為次級(jí)繞線電阻，引線電阻及二極管導(dǎo)通電阻之和；L0為變壓器漏感和引線電感之和；
●利用等效直流穩(wěn)壓電源電路的計(jì)算公式i=Us/R0[1－e－(R0/L0)t]中，不難看出，在反向恢復(fù)前期的過程中所產(chǎn)生的直流穩(wěn)壓電源電流尖峰是很大的。再加上后期恢復(fù)中因?yàn)殛P(guān)斷結(jié)電容的存在，在Us上還疊加了一個(gè)正弦衰減振蕩Uoe－atsin(ωt＋θ)。
●輸出整流二極管的反向恢復(fù)問題也可以通過在輸出整流管上串聯(lián)一個(gè)飽和電感來抑制。
●如圖5所示，飽和電感Ls與二極管串聯(lián)工作。飽和電感的磁芯是用具有矩形BH曲線的磁性材料制成的。同磁放大器使用的材料一樣，這種磁芯做的電感有很高的磁導(dǎo)率，該種磁芯在BH曲線上擁有一段接近垂直的線性區(qū)并很容易進(jìn)入飽和。實(shí)際使用中，在輸出整流二極管導(dǎo)通時(shí)，使飽和電感工作在飽和狀態(tài)下，相當(dāng)于一段導(dǎo)線；當(dāng)二極管關(guān)斷反向恢復(fù)時(shí)，使飽和電感工作在電感特性狀態(tài)下，阻礙了反向恢復(fù)直流穩(wěn)壓電源電流的大幅度變化，從而抑制了它對(duì)外部的干擾。
●圖5飽和電感在減小二極管反向恢復(fù)直流穩(wěn)壓電源電流中的應(yīng)用
●為了抑制二極管尖峰，需在二極管兩端并聯(lián)電容C或RC緩沖網(wǎng)絡(luò)。
●RC網(wǎng)絡(luò)的取值原則：C從0.01μF～0.1μF，串聯(lián)電阻用于限制電容C的放電直流穩(wěn)壓電源電流，也為了阻止由于回路阻抗而引起的共振，起阻尼作用。
● 一般按下式選取：U0/I0≤R(R不小于4Ω)
b、分布及寄生參數(shù)引起的開關(guān)直流穩(wěn)壓電源噪聲
●b1、開關(guān)直流穩(wěn)壓電源的分布參數(shù)是多數(shù)干擾的內(nèi)在因素，開關(guān)直流穩(wěn)壓電源和散熱器之間的分布電容、變壓器初次級(jí)之間的分布電容、原副邊的漏感都是噪聲源。
●b2、共模干擾就是通過變壓器初、次級(jí)之間的分布電容以及開關(guān)直流穩(wěn)壓電源與散熱器之間的分布電容傳輸?shù)摹Ｆ渲凶儔浩骼@組的分布電容與高頻變壓器繞組結(jié)構(gòu)、制造工藝有關(guān)。
●b3、可以通過改進(jìn)繞制工藝和結(jié)構(gòu)、增加繞組之間的絕緣、采用法拉第屏蔽等方法來減小繞組間的分布電容。
●b4、而開關(guān)直流穩(wěn)壓電源與散熱器之間的分布電容與開關(guān)管的結(jié)構(gòu)以及開關(guān)管的安裝方式有關(guān)。采用帶有屏蔽的絕緣襯墊可以減小開關(guān)管與散熱器之間的分布電容。
●如圖6，在高頻工作下的元件都有高頻寄生特性，對(duì)其工作狀態(tài)產(chǎn)生影響。高頻工作時(shí)導(dǎo)線變成了發(fā)射線、電容變成了電感、電感變成了電容、電阻變成了共振直流穩(wěn)壓電源電路。觀察圖6中的頻率特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)頻率過高時(shí)各元件的頻率特性產(chǎn)生了相當(dāng)大的變化。為了保證開關(guān)直流穩(wěn)壓電源在高頻工作時(shí)的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)開關(guān)直流穩(wěn)壓電源時(shí)要充分考慮元件在高頻工作時(shí)的特性，選擇使用高頻特性比較好的元件。另外，在高頻時(shí)，導(dǎo)線寄生電感的感抗顯著增加，由于電感的不可控性，最終使其變成一根發(fā)射線。也就成為了開關(guān)直流穩(wěn)壓電源中的輻射干擾源。導(dǎo)線長(zhǎng)度l ，線徑d與其電感量的關(guān)系為：L(μH) = 0.002 l【ln（ 4l / d ) －1 】
c、設(shè)計(jì)PCB板最好注意以下幾點(diǎn):
●c1、從輸入到輸出最好按順序走線；
●c2、開關(guān)變壓器底下和附近不走取樣直流穩(wěn)壓電源電路，保護(hù)直流穩(wěn)壓電源電路，主芯片及振蕩相關(guān)直流穩(wěn)壓電源電路的線路；
●c3、總接地點(diǎn)取在輸出濾波電容上比較合適，各直流穩(wěn)壓電源電路接地點(diǎn)應(yīng)從總接地點(diǎn)分別引出；
●c4、驅(qū)動(dòng)信號(hào)到開關(guān)管走線盡可能短，且盡可能的粗，開關(guān)變壓器到輸出整流管也是一樣；
4.5 閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的直流穩(wěn)壓電源紋波噪聲
此直流穩(wěn)壓電源紋波可通過以下方法進(jìn)行抑制：
a、在調(diào)節(jié)器輸出增加對(duì)地的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，調(diào)節(jié)器的補(bǔ)償可抑制調(diào)節(jié)器自激引起的直流穩(wěn)壓電源紋波增大。
●例如：
CCM模式的反激變換器控制至輸出傳遞函數(shù)之間有一個(gè)右半平面的零點(diǎn)，當(dāng)占空比開始變化時(shí)(占空比增加時(shí))，輸出將會(huì)先向相反的方向變化(直流穩(wěn)壓電源輸出直流穩(wěn)壓電源電流減小)，易引起直流穩(wěn)壓電源電路的振蕩。
●建議使用PID補(bǔ)償器或DPID(在PID上加一超前補(bǔ)償)補(bǔ)償器。
b、合理選擇閉環(huán)調(diào)節(jié)器的開環(huán)放大倍數(shù)和閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)，開環(huán)放大倍數(shù)過大有時(shí)會(huì)引起調(diào)節(jié)器的振蕩或自激，使輸出紋彼含量增加，過小的開環(huán)放大倍數(shù)使輸出直流穩(wěn)壓電源電壓穩(wěn)定性變差及直流穩(wěn)壓電源紋波含量增加.所以調(diào)節(jié)器的開環(huán)放大倍數(shù)及閉環(huán)調(diào)節(jié)器的參數(shù)要合理選取，調(diào)試中要根據(jù)負(fù)載狀況進(jìn)行調(diào)節(jié)，以獲得足夠的環(huán)路穩(wěn)定裕量。
c、在反饋通道中不增加純滯后濾波環(huán)節(jié).使延時(shí)滯后降到最小.以增加閉環(huán)調(diào)節(jié)的快速性和及時(shí)性，對(duì)抑制輸出直流穩(wěn)壓電源電壓直流穩(wěn)壓電源紋波是有益的。
●幾種常見噪聲波形。
（1）噪聲波形如圖7（a）所示。
形成原因：輔助直流穩(wěn)壓電源或基準(zhǔn)直流穩(wěn)壓電源電壓穩(wěn)定性不夠所致。
抑制措施：在相關(guān)部位并大電容。
（2）噪聲波如圖7（b）所示。
形成原因：布線不合理，引起交叉干擾。
抑制措施：調(diào)整布線。
（3）噪聲波形如圖8（c）所示。
形成原因：由于變壓器漏感對(duì)采樣形成干擾而引起自激，導(dǎo)致出現(xiàn)正弦振蕩。
抑制措施：變壓器要適當(dāng)加以屏蔽，且屏蔽層要接地。 改進(jìn)變壓器繞制工藝。
（4）噪聲波形如圖8（d）所示。幅值變化隨機(jī)、無規(guī)則。
形成原因：在于采樣電阻所加直流穩(wěn)壓電源電壓過高或印制板絕緣不良。
抑制措施：改進(jìn)采樣。
（5）噪聲波形如圖8（e）所示。
形成原因：整流二極管反向恢復(fù)期間引起的尖峰。
抑制措施：在二極管上并電容C或RC。
五、結(jié)語
本文主要是對(duì)直流穩(wěn)壓電源紋波進(jìn)行了一些相關(guān)的分析，文中所訴的各個(gè)抑制措施都在實(shí)際應(yīng)用上做過實(shí)驗(yàn)。但由于產(chǎn)生原因很多，因而其抑制措施也要視具體情況而定。只要對(duì)具體直流穩(wěn)壓電源電路作出具體分析，找對(duì)源頭所在，采取有針對(duì)性的抑制措施，就能取得較好的效果。
六、附：不同輸出濾波結(jié)構(gòu)的濾波電容計(jì)算公式（僅供參考)
c濾波 LC濾波 CLC濾波
C=1440/r*RL C=1.175/r/L C1*C2=3615/r*RL/L
(L大于或等于2RL/942 )
(RL=歐）（C=uF) (L=H) r=輸出交流份量有效值/輸出直流電壓平均值
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