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DC-DC转换器DCM&CCM-噪声电压分析&设计

开关电源:其特点是尺寸小、成本低、效率高,所以具有极高的价值。

目前我在LED背光的驱动设计(DC-DC/BOOST结构)应用中,跟我的IC应用工程师就讨论了一个话题;

我的BOOST驱动是应用在DCM(断续模式)还是CCM(连续模式)会好些?

我给出的答案:

DCM模式时在小功率应用时有较好的EMI表现;主要是输出二极管工作在零电流关断,反向恢复电流为零;输出二极管没有逆向电流(负电流)表现出来。

但是,它最大的缺点就是高开关瞬态导致高输出噪声电压。如果对输出纹波和噪声电压有较高的要求,CCM有较好的表现。

由于我研究EMI多年同时对电源有很深的理论功底;所以对DCM模式表现的出来的噪声电压问题;我是提供CLC的pi滤波器设计分析参考;

1. 升压转换器在恒定电流模式(CCM)下的设计和分析。

A.电路结构

B.输出关键节点波形

从理论上就可以看出,在CCM模式输出电压的纹波及噪声电压是比较好的!

测试其输出噪声电压也是平均对称的;在大多数场合,应用者会比较多!

2. 升压转换器在恒定电流模式(DCM)下的设计和分析。

直接给出如下的开关节点和噪声电压波形

DCM中BOOST转换器的典型测量波形

DCM-断续电流模式的拓扑它在开关周期内电流具有快速上升和下降时间。这会导致激励开关、布局和输出电容中的寄生电感影响。其结果是,在实际使用中,输出波形看上去就出现上面的波形,哪怕布局布线良好并且使用陶瓷输出电容等。

由于电容电荷的变化而导致的开关纹波(开关频率)相比输出开关的无阻尼振荡而言非常小。

一般而言,此输出噪声范围为10MHz至100MHz以上,远超出大部分陶瓷输出电容的自谐振频率。因此,添加额外的电容对噪声衰减的作用不大。

3.在输出端添加LC滤波器改善噪声电压问题。

设计结构原理图如下:

这种配置提供了极佳的纹波和开关噪声抑制能力,并具有较低的功耗。

问题在于,我们现在引入了一个额外的储能电路,它可能产生谐振。

这就有可能导致振荡,使电源不稳定。

因此,设计该滤波器的首先要做的是如何选择阻尼滤波器。

对滤波器的结构我进行理论的分析设计:

阻尼技术1:

添加RFILT具有额外成本和尺寸增加较少的优势。阻尼电阻的损耗通常很少(甚至没有),哪怕大电源情况下都很小。

缺点是,它会降低电感的并联阻抗,从而大幅降低滤波器的有效性。

阻尼技术2:

第二种技术的优势是滤波器性能最大化。

如果需要采用全陶瓷设计,则RD可以是与陶瓷电容串联的分立式电阻。

否则需使用具有高ESR且物理尺寸较大的电容。

这个额外的电容(CD)会大幅增加设计的成本和尺寸。

阻尼技术3:

看上去具有极大的优势,因为阻尼电容CE添加至输出端,

它可能对瞬态响应和输出纹波性能有所助益。

然而,这种技术成本最高,因为所需电容数量极大。

此外,输出端相对而言较多的电容会降低滤波器谐振频率,进而减少转换器可实现的带宽——因此不建议使用第3种技术。

我们采用第1种技术,因为它成本较低,且在自动化设计步骤中相对来说较为容易实现。

需注意的另一个问题是补偿。

把滤波器放在反馈环路内部几乎一直都是更好的做法。这是因为,将其放在反馈环路内有助于在一定程度上抑制滤波器,消除直流负载偏移和滤波器的串联电阻,同时能提供更好的瞬态响应、更低的振荡。

我提供的设计理论依据:

反馈在滤波器电感之前或之后获取。哪怕滤波器不在反馈环路内部,开环波特图依然存在非常大的变化。由于控制环路无论滤波器是否在反馈环路中都会受影响,因此也应对其进行适当补偿。一般来说,将目标交越频率向下调整至不超过滤波器谐振频率(FRES)的五分之一到十分之一是比较好的设计。

理论公式如下:

这类滤波器的设计步骤本质上是一个迭代过程,因为每一个元件的选择都会影响其它元件的选择。使用并联阻尼电阻的LC滤波器设计参考公式如下:

前级滤波电容C1:

10mVp-p至100mVp-p是个参考数值,具体取决于最终要求的输出纹波。

设计电感LFILT:

根据经验,较好的数值范围为0.5μH至4.7μH。

应按照高自谐振频率(SRF)来选择电感。较大的电感具有较大的SRF,这意味着它们的高频噪声滤波效率较差。较小的电感对纹波的影响没有那么大,需要更多电容。开关频率越高,电感值越小。比较电感值相同的两个电感时,SRF较高的器件具有较低的绕组间电容。

绕组间电容用作滤波器周围的短路,作用于高频噪声。

 

添加滤波器会影响转换器补偿,具体表现为降低可实现的交越频率(Fu)。根据公式的计算,对于电流模式转换而言,可实现的最大Fu是开关频率的1/10以下,或者是滤波器FRES的1/5以下。

在实际的应用中,大部分模拟负载不需要太高的瞬态响应。

通过公式计算转换器输出所需的输出电容近似值(CBW),以提供指定的瞬态电流阶跃响应。

注意:C2为CBW和C1的最小值。

我再通过组合公式来计算实际的C2的值:

下面我用a、b、c和d来简化公式:便于我采用EXCEL表的计算数据!

C2的理论计算结果如下:

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