電源紋波測量方法

2021-09-24 11:30:07 字數 2539 閱讀 4325

基本要求:使用示波器ac 耦合,20mhz 頻寬限制,拔掉探頭的地線

1,ac 耦合是去掉疊加的直流電壓,得到準確的波形。

2,開啟20mhz 頻寬限制是防止高頻雜訊的干擾,防止測出錯誤的結果。因為高頻成分幅值較大,測量的時候應除去。

3,拔掉示波器探頭的接地夾,使用接地環測量,是為了減少干擾。很多部門沒有接地環,如果誤差允許也直接用探頭的接地夾測量。但在判斷是否合格時要考慮這個因素。

還有一點是要使用50ω 終端。橫河示波器的資料上介紹說,50ω 模組是除去dc 成分,精確測量ac 成分。但是很少有示波器配這種專門的探頭,大多數情況是使用標配100kω 到10mω 的探頭測量,影響暫時不清楚。

上面是測量開關紋波時基本的注意事項。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點,應該用雙絞線,或者50ω 同軸電纜方式測量。

在測量高頻雜訊時,使用示波器的全通帶,一般為幾百兆到ghz 級別。其他與上述相同。

有些數字示波器因為干擾和儲存深度的原因,無法正確的測量出紋波。這時應更換示波器。這方面有時候雖然老的模擬示波器頻寬只有幾十兆,但表現要比數字示波器好。

對於開關紋波,理論上和實際上都是一定存在的。通常抑制或減少它的做法有五種:

一加大電感和輸出電容濾波

根據開關電源的公式,電感內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。

上圖是開關電源電感l內的電流波形,其紋波電流△i可由下式算出:

可以看出,增加l值,或者提高開關頻率可以減小電感內的電流波動。

同樣,輸出紋波與輸出電容的關係: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,對於輸出電容,使用鋁電解電容以達到大容量的目的。但是電解電容在抑制高頻雜訊方面效果不是很好,而且esr 也比較大,所以會在它旁邊併聯乙個陶瓷電容,來彌補鋁電解電容的不足。

同時,開關電源工作時,輸入端的電壓vin 不變,但是電流是隨開關變化的。這時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),併聯電容來提供電流。

上面這種做法對減小紋波的作用是有限的。因為體積限制,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;增加開關頻率,又會增加開關損失。所以在要求比較嚴格時,這種方法並不是很好。關於開關電源的原理等,可以參考各類開關電源設計手冊。

應用該對策後,buck型開關電源如下圖所示:

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上面這種做法對減小紋波的作用是有限的。因為體積限制,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;增加開關頻率,又會增加開關損失。所以在要求比較嚴格時,這種方法並不是很好。

關於開關電源的原理等,可以參考各類開關電源設計手冊。

二二級濾波,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,根據要除去的紋波頻率選擇合適的電感電容構成濾波電路,一般能夠很好的減小紋波。

但是,這種情況下需要考慮反饋比較電壓的取樣點。(如下圖所示)

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取樣點選在lc 濾波器之前(pa),輸出電壓會降低。因為任何電感都有乙個直流電阻,當有電流輸出時,在電感上會有壓降產生,導致電源的輸出電壓降低。而且這個壓降是隨輸出電流變化的。

取樣點選在lc 濾波器之後(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內部引入了乙個電感和乙個電容,有可能會導致系統不穩定。關於系統穩定,很多資料有介紹,這裡不詳細寫了。

三開關電源輸出之後,接ldo 濾波

這是減少紋波和雜訊最有效的辦法,輸出電壓恆定,不需要改變原有的反饋系統,但也是成本最高,功耗最高的辦法。

任何一款ldo 都有一項指標:噪音抑制比。是一條頻率-db 曲線,如右圖是凌特公司lt3024 的曲線。

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經過ldo之後,開關紋波一般在10mv以下。

下圖是ldo前後的紋波對比:

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對比曲在線圖的曲線和左圖的波形,可以看出對幾百khz的開關紋波,ldo的抑制效果非常好。但在高頻範圍內,該ldo的效果就不那麼理想了。

對減小紋波。開關電源的pcb 佈線也非常關鍵,這是個很赫手的問題。有專門的開關電源pcb 工程師,對於高頻雜訊,由於頻率高幅值較大,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體上並電容c 或rc,或串聯電感。

對於高頻雜訊,由於頻率高幅值較大,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體上並電容c或rc,或串聯電感。

四在二極體上並電容c 或rc

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二極體高速導通截止時,要考慮寄生引數。在二極體反向恢復期間,等效電感和等效電容成為乙個rc 振盪器,產生高頻振盪。為了抑制這種高頻振盪,需在二極體兩端併聯電容c或rc 緩衝網路。電阻一般取10ω-100ω,電容取4.7pf-2.2nf。

在二極體上併聯的電容c 或者rc,其取值要經過反覆試驗才能確定。如果選用不當,反而會造成更嚴重的振盪。

對高頻雜訊要求嚴格的話,可以採用軟開關技術。關於軟開關,有很多書專門介紹。

五二極體後接電感(emi 濾波)

這也是常用的抑制高頻雜訊的方法。針對產生雜訊的頻率,選擇合適的電感元件,同樣能夠有效地抑制雜訊。需要注意的是,電感的額定電流要滿足實際的要求。

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