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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三种:

1.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。根据伏秒平衡等可以看出,增加电感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。

    应用该对策后,BUCK型开关电源如下图所示:

    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。

2.二级滤波,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)

     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。

3.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。经过LDO之后,开关纹波一般在10mV以下。

    最后,对减小纹波。开关电源的PCB布线也非常关键,这是个很重要的问题。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。

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