直流穩壓電源紋波噪聲來源分析
2017-6-29 11:37:15??????點擊：
一.什么是直流穩壓電源紋波?
直流穩壓電源紋波(ripple)的定義是指在直流直流穩壓電源電壓或直流穩壓電源電流中,疊加在直流穩定量上的交流分量。
它主要有以下害處：
1.1．容易在用電器上產生諧波，而諧波會產生更多的危害；
1.2．降低了直流穩壓電源的效率；
1.3．較強的直流穩壓電源紋波會造成浪涌直流穩壓電源電壓或直流穩壓電源電流的產生，導致燒毀用電器；
1.4．會干擾數字直流穩壓電源電路的邏輯關系，影響其正常工作；
1.5．會帶來噪音干擾，使圖像設備、音響設備不能正常工作。
二、直流穩壓電源紋波的表示方法
可以用有效值或峰值來表示，或者用絕對量、相對量來表示；
單位通常為：mV
例如：
一個直流穩壓電源工作在穩壓狀態,其輸出為12V5A，測得直流穩壓電源紋波的有效值為10mV，這10mV就是直流穩壓電源紋波的絕對量，而相對量即直流穩壓電源紋波系數=直流穩壓電源紋波直流穩壓電源電壓/輸出電壓=10mv/12V=0.12%。
三、直流穩壓電源紋波的測試方法
3.1．以20M示波器帶寬為限制標準，直流穩壓電源電壓設為PK-PK(也有測有效值的)，去除示波器控頭上的夾子與地線 (因為這個本身的夾子與地線會形成環路，像一個天線接收雜訊，引入一些不必要的雜訊)，使用接地環（不使用接地環也可以，不過要考慮其產生的誤差），在探頭上并聯一個10UF電解電容與一個0.1UF瓷片電容，用示波器的探針直接進行測試；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。
四、開關直流穩壓電源紋波的主要分類
開關直流穩壓電源輸出直流穩壓電源紋波主要來源于五個方面：
4.1.輸入低頻直流穩壓電源紋波;
4.2.高頻直流穩壓電源紋波;
4.3.寄生參數引起的共模直流穩壓電源紋波噪聲;
4.4.功率器件開關過程中產生的超高頻諧振噪聲;
4.5.閉環調節控制引起的直流穩壓電源紋波噪聲。
4.1、輸入低頻直流穩壓電源紋波:
低頻直流穩壓電源紋波是與輸出直流穩壓電源電路的濾波電容容量相關。電容的容量不可能無限制地增加，導致輸出低頻直流穩壓電源紋波的殘留。
交流直流穩壓電源紋波經DC/DC變換器衰減后，在開關直流穩壓電源輸出端表現為低頻噪聲，其大小由DC/DC變換器的變比和控制系統的增益決定。
直流穩壓電源電流型控制DC/DC變換器的直流穩壓電源紋波抑制比直流穩壓電源電壓型稍有提高。但其輸出端的低頻交流直流穩壓電源紋波仍較大。要實現開關直流穩壓電源的低直流穩壓電源紋波輸出，必須對低頻直流穩壓電源紋波采取濾波措施。
可采用前級預穩壓和增大DC/DC變換器閉環增益來消除。
低頻直流穩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。
●電容上的直流穩壓電源紋波有兩個成分,一個是充放電時的直流穩壓電源電壓升降量，一個是直流穩壓電源電流進出電容時ESR上的I*R直流穩壓電源電壓降量。
●通過輸出直流穩壓電源紋波與輸出電容的關系式：vripple=Imax/(Co×f)可以看出，加大輸出電容值可以減小直流穩壓電源紋波。
●或者考慮采用并聯的方式減小ESR值,或者使用LOW ESR電容。
b、采用前饋控制方法，降低低頻直流穩壓電源紋波分量。
●feed forward control (FFC) 前饋控制是按照擾動產生校正作用的一種調節方式，主要用于一些純滯后或容量滯后較大的被控參數的控制。
●其目的是加速系統響應速度，改善系統的調節品質。
4.2、高頻直流穩壓電源紋波:
高頻直流穩壓電源紋波噪聲來源于高頻功率開關變換直流穩壓電源電路
在直流穩壓電源電路中，通過功率器件對輸入直流穩壓電源電壓進行高頻開關變換后整流濾波再實現穩壓輸出的，在其輸出端含有與開關工作頻率相同頻率的高頻直流穩壓電源紋波，其對外直流穩壓電源電路的影響大小主要和開關直流穩壓電源的變換頻率、輸出濾波器的結構和參數有關；
設計中盡量提高功率變換器的工作頻率，可以減少對高頻開關直流穩壓電源紋波的濾波要求。
高頻直流穩壓電源紋波抑制常用的方法有以下幾種：
a、提高開關直流穩壓電源工作頻率，以提高高頻直流穩壓電源紋波頻率，其直流穩壓電源紋波直流穩壓電源電流△I可由下式算出：
●可以看出，增加L值，或者提高開關頻率可以減小電感內的直流穩壓電源電流波動。
b、加大輸出高頻濾波器，可以抑制輸出高頻直流穩壓電源紋波。
c、采用多級濾波。
●一般濾波多采用C型、LC型、CLC型，為了更好的抑制直流穩壓電源紋波，可以采用增加多一級LC濾波。
4.3、寄生參數引起的共模直流穩壓電源紋波噪聲:
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，導線存在寄生電感，減小與控制功率器件、變壓器與機殼地之間的寄生電容，并將散熱器有效接地（根據不同情況，可選擇通過電容接地，或電容串電阻接地），同時在輸出側加共模電感及電容，可減小輸出的共模直流穩壓電源紋波噪聲。
因此當矩形波直流穩壓電源電壓作用于功率器件時，開關直流穩壓電源的輸出端因此會產生共模直流穩壓電源紋波噪聲。減小與控制功率器件、變壓器與機殼地之間的寄生電容，并在輸出側加共模抑制電感及電容，可減小輸出的共模直流穩壓電源紋波噪聲。
減小輸出共模直流穩壓電源紋波噪聲的常用方法:
a、輸入、輸出采用專門設計的EMI濾波器。
b、降低開關毛刺幅度。
●主開關管是開關直流穩壓電源的核心器件，同時也是干擾源。其工作頻率直接與電磁干擾的強度相關。隨著開關管的工作頻率升高，開關管直流穩壓電源電壓、直流穩壓電源電流的切換速度加快，其傳導干擾和輻射干擾也隨之增加。
●此外，主開關管上反并聯的鉗位二極管的反向恢復特性不好，或者直流穩壓電源電壓尖峰吸收直流穩壓電源電路的參數選擇不當也會造成電磁干擾。
4.4、功率器件開關過程中產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時二極管結電容、功率器件開關
※ 時功率器件結電容與線路寄生電感的諧振；
※ 頻率一般為1-10MHz；
通過選用軟恢復特性二極管、結電容小的開關管和減少布線長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壓電源電壓時截止，不會有反向直流穩壓電源電流通過。
●而實際二極管正向導通時，PN結內的電荷 被積累，當二極管承受反向直流穩壓電源電壓時，PN結內積累的電荷將釋放并形成一個反向恢復直流穩壓電源電流，它恢復到零點的時間與結電容等因素有關。反向恢復直流穩壓電源電流在變壓器漏感和其他分布參數的影響下將產生較強烈的高頻衰減振蕩。
●因此，輸出整流二極管的反向恢復噪聲也成為開關直流穩壓電源中一個主要的干擾源。
●二極管反向恢復的等效直流穩壓電源電路如下：
●圖4中：R0為次級繞線電阻，引線電阻及二極管導通電阻之和；L0為變壓器漏感和引線電感之和；
●利用等效直流穩壓電源電路的計算公式i=Us/R0[1－e－(R0/L0)t]中，不難看出，在反向恢復前期的過程中所產生的直流穩壓電源電流尖峰是很大的。再加上后期恢復中因為關斷結電容的存在，在Us上還疊加了一個正弦衰減振蕩Uoe－atsin(ωt＋θ)。
●輸出整流二極管的反向恢復問題也可以通過在輸出整流管上串聯一個飽和電感來抑制。
●如圖5所示，飽和電感Ls與二極管串聯工作。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率，該種磁芯在BH曲線上擁有一段接近垂直的線性區并很容易進入飽和。實際使用中，在輸出整流二極管導通時，使飽和電感工作在飽和狀態下，相當于一段導線；當二極管關斷反向恢復時，使飽和電感工作在電感特性狀態下，阻礙了反向恢復直流穩壓電源電流的大幅度變化，從而抑制了它對外部的干擾。
●圖5飽和電感在減小二極管反向恢復直流穩壓電源電流中的應用
●為了抑制二極管尖峰，需在二極管兩端并聯電容C或RC緩沖網絡。
●RC網絡的取值原則：C從0.01μF～0.1μF，串聯電阻用于限制電容C的放電直流穩壓電源電流，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、分布及寄生參數引起的開關直流穩壓電源噪聲
●b1、開關直流穩壓電源的分布參數是多數干擾的內在因素，開關直流穩壓電源和散熱器之間的分布電容、變壓器初次級之間的分布電容、原副邊的漏感都是噪聲源。
●b2、共模干擾就是通過變壓器初、次級之間的分布電容以及開關直流穩壓電源與散熱器之間的分布電容傳輸的。其中變壓器繞組的分布電容與高頻變壓器繞組結構、制造工藝有關。
●b3、可以通過改進繞制工藝和結構、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、而開關直流穩壓電源與散熱器之間的分布電容與開關管的結構以及開關管的安裝方式有關。采用帶有屏蔽的絕緣襯墊可以減小開關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，對其工作狀態產生影響。高頻工作時導線變成了發射線、電容變成了電感、電感變成了電容、電阻變成了共振直流穩壓電源電路。觀察圖6中的頻率特性曲線可以發現，當頻率過高時各元件的頻率特性產生了相當大的變化。為了保證開關直流穩壓電源在高頻工作時的穩定性，設計開關直流穩壓電源時要充分考慮元件在高頻工作時的特性，選擇使用高頻特性比較好的元件。另外，在高頻時，導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射線。也就成為了開關直流穩壓電源中的輻射干擾源。導線長度l ，線徑d與其電感量的關系為：L(μH) = 0.002 l【ln（ 4l / d ) －1 】
c、設計PCB板最好注意以下幾點:
●c1、從輸入到輸出最好按順序走線；
●c2、開關變壓器底下和附近不走取樣直流穩壓電源電路，保護直流穩壓電源電路，主芯片及振蕩相關直流穩壓電源電路的線路；
●c3、總接地點取在輸出濾波電容上比較合適，各直流穩壓電源電路接地點應從總接地點分別引出；
●c4、驅動信號到開關管走線盡可能短，且盡可能的粗，開關變壓器到輸出整流管也是一樣；
4.5 閉環調節控制引起的直流穩壓電源紋波噪聲
此直流穩壓電源紋波可通過以下方法進行抑制：
a、在調節器輸出增加對地的補償網絡，調節器的補償可抑制調節器自激引起的直流穩壓電源紋波增大。
●例如：
CCM模式的反激變換器控制至輸出傳遞函數之間有一個右半平面的零點，當占空比開始變化時(占空比增加時)，輸出將會先向相反的方向變化(直流穩壓電源輸出直流穩壓電源電流減小)，易引起直流穩壓電源電路的振蕩。
●建議使用PID補償器或DPID(在PID上加一超前補償)補償器。
b、合理選擇閉環調節器的開環放大倍數和閉環調節器的參數，開環放大倍數過大有時會引起調節器的振蕩或自激，使輸出紋彼含量增加，過小的開環放大倍數使輸出直流穩壓電源電壓穩定性變差及直流穩壓電源紋波含量增加.所以調節器的開環放大倍數及閉環調節器的參數要合理選取，調試中要根據負載狀況進行調節，以獲得足夠的環路穩定裕量。
c、在反饋通道中不增加純滯后濾波環節.使延時滯后降到最小.以增加閉環調節的快速性和及時性，對抑制輸出直流穩壓電源電壓直流穩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：輔助直流穩壓電源或基準直流穩壓電源電壓穩定性不夠所致。
抑制措施：在相關部位并大電容。
（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：由于變壓器漏感對采樣形成干擾而引起自激，導致出現正弦振蕩。
抑制措施：變壓器要適當加以屏蔽，且屏蔽層要接地。 改進變壓器繞制工藝。
（4）噪聲波形如圖8（d）所示。幅值變化隨機、無規則。
形成原因：在于采樣電阻所加直流穩壓電源電壓過高或印制板絕緣不良。
抑制措施：改進采樣。
（5）噪聲波形如圖8（e）所示。
形成原因：整流二極管反向恢復期間引起的尖峰。
抑制措施：在二極管上并電容C或RC。
五、結語
本文主要是對直流穩壓電源紋波進行了一些相關的分析，文中所訴的各個抑制措施都在實際應用上做過實驗。但由于產生原因很多，因而其抑制措施也要視具體情況而定。只要對具體直流穩壓電源電路作出具體分析，找對源頭所在，采取有針對性的抑制措施，就能取得較好的效果。
六、附：不同輸出濾波結構的濾波電容計算公式（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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