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纹波噪声.docx


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】的内容,可以使用淘豆网的站内搜索功能,选择自己适合的文档,以下文字是截取该文章内的部分文字,如需要获得完整电子版,请下载此文档到您的设备,方便您编辑和打印。适用标准文案开关电源的纹波和噪声(图)日期:2009-08-26根源:本网作者:北京航空航天大学方佩敏开关电源(包含AC/DC变换器、DC/DC变换器、AC/DC模块和DC/DC模块)与线性电源对比较,最突出的长处是变换效率高,一般可达80%~85%,高的可达90%~97%;其次,开关电源采纳高频变压器代替了粗笨的工频变压器,不单重量减少,体积也减小了,所以应用范围愈来愈广。但开关电源的弊端是因为其开关管工作于高频开关状态,输出的纹波和噪声电压较大,一般为输出电压的1%左右(%左右),最好产品的纹波和噪声电压也有几十mV;而线性电源的调整管工作于线性状态,无纹波电压,输出的噪声电压也较小,其单位是μV。本文简单地介绍开关电源产生纹波和噪声的原由和丈量方法、丈量装置、丈量标准及减小纹波和噪声的举措。纹波和噪声产生的原由开关电源输出的不是纯正的直流电压,里面有些沟通成分,这就是纹波和噪声造成的。纹波是输出直流电压的颠簸,与开关电源的开关动作相关。每一个开、关过程,电能从输入端被“泵到”输出端,形成一个充电和放电的过程,进而造成输出电压的颠簸,颠簸频次与开关的频次同样。纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰峰值,其大小与开关电源的输入电容和输出电容的容量及质量相关。噪声的产生原由有两种,一种是开关电源自己产生的;另一种是外界电磁场的扰乱(EMI),它能经过辐射进入开关电源或许经过电源线输入开关电源。开关电源自己产生的噪声是一种高频的脉冲串,由发生在开关导通与截止瞬时产生的尖脉冲所造成,也称为开关噪声。噪声脉冲串的频次比开关频次高得多,噪声电压是其峰峰值。噪声电压的振幅很大程度上与开关电源的拓扑、电路中的寄生状态及PCB的设计相关。利用示波器能够看到纹波和噪声的波形,如图1所示。纹波的频次与开关管频次同样,而噪声的频次是开关管的两倍。纹波电压的峰峰值和噪声电压的峰峰值之和就是纹波和噪声电压,其单位是mVp-p。图1纹波和噪声的波形纹波和噪声的丈量方法纹波和噪声电压是开关电源的主要性能参数之一,所以怎样精确丈量是一个十分重要问题。当前丈量纹波和噪声电压是利用宽频带示波器来丈量的方法,它能精确地测出纹波和噪声电压值。因为开关电源的品种众多(有不一样的拓扑、工作频次、输出功率、不一样的技术要求等),可是各生产厂家出色文档适用标准文案都采纳示波器丈量法,仅丈量装置上不完整同样,所以各厂对不一样开关电源的丈量都有自己的标准,即公司标准。用示波器丈量纹波和噪声的装置的框图如图2所示。它由被测开关电源、负载、示波器及丈量连线构成。有的丈量装置中还焊上电感或电容、电阻等元件。图2示波器丈量框图从图2来看,仿佛与其余测波形电路没有什么差别,但实质上要求不一样。测纹波和噪声电压的要求以下:●要防备环境的电磁场扰乱(EMI)侵入,使输出的噪声电压不受EMI的影响;●要防备负载电路中可能产生的EMI扰乱;●对小型开关型模块电源,因为内部无输出电容或输出电容较小,所以在丈量时要加上适合的输出电容。为知足第1条要求,丈量连线应尽量短,并采纳双绞线(除去共模噪声扰乱)或同轴电缆;一般的示波器探头不可以用,需用专用示波器探头;而且丈量点应在电源输出端上,若丈量点在负载上则会造成极大的丈量偏差。为知足第2点,负载应采纳阻性假负载。常常有这样的状况发生,用户买回的开关电源或模块电源,在丈量纹波和噪声这一性能指标时,发现与产品技术规格上的指标不符,大大地超出技术规格上的性能指标要求,这常常是用户的丈量装置不适合,丈量的方法(丈量点的选择)不适合或采纳通用的丈量探头所致。几种丈量装置双绞线丈量装置双绞线丈量装置如图3所示。采纳300mm(12英寸)长、#16AWG线规构成的双绞线与被测开关电源的+OUT及-OUT连结,在+OUT与-OUT之间接上阻性假负载。在双绞线尾端接一个4TμF电解电容(钽电容)后输入带宽为50MHz(有的公司标准为20MHz)的示波器。在丈量点连结时,一端要接在+OUT上,另一端接到地平面端。出色文档适用标准文案图3双绞线丈量装置这里要注意的是,双绞线接地线的尾端要尽量的短,夹在探头的地线环上。2平行线丈量装置平行线丈量装置如图4所示。图4中,C1是多层陶瓷电容(),容量为1μF,C2是钽电解电容,容量是10μF。两条平行铜箔带的电压降之和小于输出电压值的2%。该丈量方法的长处是与实质工作环境比较靠近,弊端是较简单捡拾EMI扰乱。图4平行线丈量装置专用示波器探头图5所示为一种专用示波器探头直接与波测电源靠接。专用示波器探头上有个地线环,其探头的尖端接触电源输出正极,地线环接触电源的负极(GND),接触要靠谱。图5示波器探头的接法这里趁便提出,不可以采纳示波器的通用探头,因为通用示波器探头的地线不障蔽且较长,简单捡拾外界电磁场的扰乱,造成较大的噪声输出,虚线面积越大,受扰乱的影响越大,如图6所示。出色文档适用标准文案图6通用探头易造成扰乱4同轴电缆丈量装置这里介绍两种同轴电缆丈量装置。图7是在被测电源的输出端接R、C电路后经输入同轴电缆(50Ω)后接示波器的AC输入端;图8是同轴电缆直接接电源输出端,。T形BNC连结器和电容电阻的连结如图9所示。图7同轴电缆丈量装置1图8同轴电缆丈量装置2图9T形BNC连结器和电容电阻的连结出色文档适用标准文案纹波和噪声的丈量标准以上介绍了多种丈量装置,同一个被测电源若采纳不一样的丈量装置,其丈量的结果是不同样的,若能采纳同样的标准丈量装置来测,则丈量的结果才有可比性。最近几年来出台了几个丈量纹波和噪声的标准,本文将介绍一种鉴于JEITA-RC9131A丈量标准的丈量装置,如图10所示。图10鉴于JEITA-RC9131A丈量标准的丈量装置该标准规定在被测电源输出正、负端小于150mm处并联两个电容C2及C3,C2为22μF电解电容,。,同轴电缆的另一端连结一个50Ω的电阻R和串接一个4700pF的电容C1后接入示波器,示波器的带宽为100MHz。同轴电缆的两头连结线应尽可能地短,以防备捡拾辐射的噪声。此外,连结负载的线若越长,则测出的纹波和噪声电压越大,在这状况下有必需连结C2及C3。若示波器探头的地线太长,则纹波和噪声的丈量不行能精确。此外,测试应在温室条件下,被测电源应输入正常的电压,输出额定电压及额定负载电流。不正确与正确丈量的比较探头的选择图11是用AAT1121芯片构成的降压式DC/DC变换器电路及丈量正确和不正确的波形图。若采纳一般的示波器探头来丈量(如图12所示),因为地线与探头构成的回路面积太大(由剖面线构成的面积),它相当于一根“天线”,极易遇到EMI的扰乱,其输出的纹波和噪声电压相当大(见图11中右边的示波器波形图中绿色的纹波和噪声波形)。若采纳专用的丈量探头(如图13所示),它的地线极短,探头与地线构成回路面积较小,遇到EMI扰乱极小,其输出纹波和噪声波形如图11右边的红色线所示。这例子说明一般通用示波器的探头是不可以用的。图11AAT1121电路丈量波形出色文档适用标准文案图12用一般示波器探头测得的波形图13用专用丈量探头测得的波探头与测试点的接触能否优秀以金升阳公司的1WDC/DC电源模块IF0505RN-1W为例,采纳专用探头靠测法,清除外界EMI噪声扰乱,探头接触优秀时,-p,如图14所示。若触头接触不良时,-p,如图15所示。图14电源模块IF0505RN-1W测试波形(接触优秀)图15电源模块IF0505RN-1W测试波形(接触不良)这里趁便再用一般示波器探头测试试看,其测试结果是纹波和噪声电压为48mVp-p,如图16所示。出色文档适用标准文案图16电源模块IF0505RN-1W测试波形(一般探头)减小纹波和噪声电压的举措开关电源除开关噪声外,在AC/DC变换器中输入的市电经全波整流及电容滤波,电流波形为脉冲,如图17所示(图a是全波整流、滤波电路,b是电压及电流波形)。电流波形中有高次谐波,它会增添噪声输出。优秀的开关电源(AC/DC变换器)在电路增添了功率因数校订(PFC)电路,使输出电流近似正弦波,降低高次谐波,,减小了对电网的污染。电路图如图18所示。图17开关电源整流波形图18开关电源PFC电路开关电源或模块的输出纹波和噪声电压的大小与其电源的拓扑,各部分电路的设计及PCB设计相关。比如,采纳多相输出构造,可有效地降低纹波输出。此刻的开关电源的开关频次愈来愈高;低的是几十kHz,一般是几百kHz,而高的可达1MHz以上。所以产生的纹波电压及噪声电压的频次都很高,要减小纹波和噪声最简单的方法是在电源电路中加无源低通滤波器。1减少EMI的举措能够采纳金属外壳做障蔽减小外界电磁场辐射扰乱。为减少从电源线输入的电磁扰乱,在电源输入端加EMI滤波器,如图19所示(EMI滤波器也称为电源滤波器)。出色文档适用标准文案图19开关电源加EMI滤波2在输出端采纳高频性能好、ESR低的电容采纳高分子聚合物固态电解质的铝或钽电解电容作输出电容是最正确的,其特色是尺寸小而电容量大,高频下ESR阻抗低,同意纹波电流大。它最合用于高效率、低电压、大电流降压式DC/DC变换器及DC/DC模块电源作输出电容。比如,一种高分子聚合物钽固态电解电容为68μF,其在20℃、100kHz时的等效串连电阻(ESR)最大值为25mΩ,最大的同意纹波电流(在100kHz时)为2400mArms,其尺寸为:(长)×(宽)×(高),其型号为10TPE68M(贴片或封装)。纹波电压VOUT为:VOUT=IOUT×ESR(1)若IOUT=,ESR=25mΩ,则VOUT=。若采纳一般的铝电解电容作输出电容,额定电压10V、额定电容量100μF,在20℃、,最大纹波电流为70mA。它只好工作于10kHz左右,没法在高频(100kHz以上的频次)下工作,再增添电容量也无效,因为超出10kHz时,它已成电感特征了。某些开关频次在100kHz到几百kHz之间的电源,采纳多层陶电容()或钽电解电容作输出电容的成效也不错,其价位要比高分子聚合物固态电解质电容要低得多。采纳与产品系统的频次同步为减小输出噪声,电源的开关频次应与系统中的频次同步,即开关电源采纳外同步输入系统的频次,使开关的频次与系统的频次同样。防止多个模块电源之间互相扰乱在同一块PCB上可能有多个模块电源一同工作。若模块电源是不障蔽的、而且靠的很近,则可能互相扰乱使输出噪声电压增添。为防止这类互相扰乱可采纳障蔽举措或将其适合远离,减少其互相影响的扰乱。比如,用两个K7805-500开关型模块构成±5V输出电源时,若两个模块靠的很近,输出电容C4、C2未采用低ESR电容,且焊接处离输出端较远,则有可能输出的纹波和噪声电压遇到互相扰乱而增添,如图20所出色文档适用标准文案示。假如在同一块PCB上有能产生噪声扰乱的电路,则在设计PCB时要采纳相像的举措以减少扰乱电路对开关电源的互相扰乱影响。图20K7805-500并联增添LC滤波器为减小模块电源的纹波和噪声,能够在DC/DC模块的输入和输出端加LC滤波器,如图21所示。图21左图是单输出,图21右图是双输出。图21在DC/DC模块中加入LC滤波器在表1及表2中列出1WDC/DC模块的VIN端和VOUT端在不一样输出电压时的电容值。要注意的是,电容量不可以过大而造起动问题,LC的谐振频次一定与开关频次要错开以防止互相扰乱,L采纳μH极的,其直流电阻要低,免得影响输出电压精度。6增添LDO在开关电源或模块电源输出后再加一个低压差线性稳压器(LDO)能大幅度地降低输出噪声,以知足对噪声特别有要求的电路需要(见图22),输出噪声可达μV级。出色文档适用标准文案图22在电源中加入LDO因为LDO的压差(输入与输出电压的差值)仅几百mV,则在开关电源的输出略高于LDO几百mV就能够输出标准电压了,而且其消耗也不大。7增添有源EMI滤波器及有源输出纹波衰减器有源EMI滤波器可在150kHz~30MHz间衰减共模和差模噪声,而且对衰减低频噪声特别有效。在250kHz时,可衰减60dB共模噪声及80dB差模噪声,在满载时效率可达99%。输出纹波衰减器可在1~500kHz范围内减低电源输出纹波和噪声30dB以上,而且能改良动向响应及减小输出电容。出色文档

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