开电源纹波噪声的产生及抑制
纹波和噪声
开关电源的纹波和噪声(图) 日期:2009-08-26 来源:本网作者:北京航空航天大学方佩敏
开关电源(包括AC/DC转换器、DC/DC转换器、AC/DC模块和DC/DC模块)与线性电源相比较,最突出的优点是转换效率高,一般可达80%~85%,高的可达90%~97%;其次,开关电源采用高频变压器替代了笨重的工频变压器,不仅重量减轻,体积也减小了,因此应用范围越来越广。但开关电源的缺点是由于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(低的为输出电压的0.5%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因和测量方法、测量装置、测量标准及减小纹波和噪声的措施。
纹波和噪声产生的原因
开关电源输出的不是纯正的直流电压,里面有些交流成分,这就是纹波和噪声造成的。纹波是输出直流电压的波动,与开关电源的开关动作有关。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,从而造成输出电压的波动,波动频率与开关的频率相同。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品质有关。
噪声的产生原因有两种,一种是开关电源自身产生的;另一种是外界电磁场的干扰(EMI),它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。
开关电源自身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间产生的尖脉冲所造成,也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多,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的设计有关。
开关电源DCDC变换纹波噪声产生的原因以及解决方案
开关电源DC/DC变换纹波噪声产生的原因以及解决方案 原因很多最主要的是斩波频率造成的,所以在选择DC-DC 芯片的时候要尽可能选择频率较高的,它的好处有:1,频率高,其纹波的频率也就高,这样的纹波也就更容易滤除。2,频率高,就可以选低感值的电感,这样就有更强的 负载能力。3,频率高,在负载不是很大的情况下,可以实现用小的电容实现理想的滤波效果。缺点是自损耗电流大个人认为 纹波 不等于 噪声,纹波,主要由两部分组成:一个是跟开关频率有关的电容电压的变化率,电感电流的充放电时间长,则电容电压变化大,若开关频率高,则充放电时间短,电容电压变化小,即纹波小;第二,当前的开关频率都已经达到MHz级别,使得纹波主要由输出滤波电容的ESR(等效串联电阻)决定,因为电容在充电和放电的时候输出电压上会有一个与Iout×ESR相关的跳变,当负载电流越大时此值越大,即纹波越大。解决办法,如果不是设计芯片,只是应用,选择ESR小的电容可以减小纹波,参考芯片的DATASHEET,若允许可采用非电解电容,其ESR较小。而噪声通常指开关动作引起的EMI(电磁辐射/干扰),可采用有扩频等降噪技术的片子;应用上可将芯片远离敏感电路,甚至加屏蔽装置。
电源纹波,如何测量?如何抑制?
电源纹波的产生
我们常见的电源有线性电源和开关电源,它们输出的直流电压是由交流电压经整流、滤波、稳压后得到的。由于滤波不干净,直流电平之上就会附着包含周期性与随机性成分的杂波信号,这就产生了纹波。
在额定输出电压、电流的情况下,输出直流电压中的交流电压的峰值就是通常所说的纹波电压。纹波是一种复杂的杂波信号,它是围绕着输出的直流电压上下来回波动的周期性信号,但周期和振幅并不是定值,而是随着时间变化,并且不同电源的纹波波形也不一样。
纹波的危害
一般来说纹波是有百害而无一利的,纹波的危害主要有以下几点:
•电源中携带的纹波会在电器上产生谐波,降低电源的使用效率;
•较高的纹波可能会产生浪涌电压或电流,从而导致电气设备运行不正常或加速设备老化;
•在数字电路中纹波会干扰电路逻辑关系;
•纹波还会给通信、测量和计量仪器、仪表带来噪音干扰,破坏信号的正常测量、计量,甚至损坏设备。
所以,在制作电源的时候,我们都要考虑将纹波降低到百分之几以下,对纹波要求高的设备要考虑把纹波降低到更小。
电源纹波的测量方法通常分为两大类,一类是单独电源的鉴定,另一类是产品的调试测量。
在电源行业和电源用户对电源鉴定时,要求选择在室内(20℃左右)进行,湿度应小于80%,周围对测量有影响的机械震动及电磁干扰最小,标准仪器与被检电源应在以上的测试环境下放置24小时以上。
对于纯电源来讲,测量电源纹波时,要求在加载时测量,所加负载要使输出电流大于额定输出电流的80%以上。
对于低噪声的纯阻性负载或电子负载,还要选择对应的测量标准。不同的标准就会产生不同的测量结果。
开关电源常见尖峰的产生原因和抑制方法
开关电源的尖峰干扰及其抑制
电源纹波会干扰电子设备的正常工作,引起诸如计算机死机、数据处理出错及控制系统失灵等故障,给生产和科研酿成难以估量的损失,因此必须采取措施加以抑制。
产生尖峰的原因很多,以下着重说明滤波电路对二极管反向恢复时间所产生的纹波尖峰加以分析,并总结出几种有效的抑制措施。
2滤波电路
为减小电源尖峰干扰需要在电源进线端和电源输出线端分别加入滤波电路。
2.1电源进线端滤波器
在电源进线端通常采用如图1所示电路。该电路对共模和差模纹波干扰均有较好抑制作用。
图中各元器件的作用:
(1)L1,L2,C1用于滤除差模干扰信号。
L1,L2磁芯面积不宜太小,以免饱和。电感量几毫亨至几十毫亨。C1为电源跨接电容,又称X电容。用陶瓷电容或聚脂薄膜电容效果更好。电容量取0.22μF~0.47μF。
(2)L3,L4,C2,C3用于滤除共模干扰信号。
L3,L4要求圈数相同,一般取10,电感量2mH左右。
C2,C3为旁路电容,又称Y电容。电容量要求2200pF左右。电容量过大,影响设备的绝缘性能。
在同一磁芯上绕两个匝数相等的线圈。电源往返电流在磁芯中产生大小相等、方向相反的磁通。故对差模信号电感L3、L4不起作用(见图2),但对于相线与地线间共模信号,呈现为一个大电感。其等效电路如图3所示。
由等效电路知:
令L1=L2=M=L,UN=RCI1同时RC RL,则:
图1电源进线端滤波电路
(1)一般ωL RL,则:。式(1)表明,对共模信号Ug而言,共模电感呈现很大的阻抗。
2.2输出端滤波器
输出端滤波器大都采用LC滤波电路。其元件选择一般资料中均有。为进一步降低纹波,需加入二次LC滤波电路。LC滤波电路中L值不宜过大,以免引起自激,电感线圈一般以1~2匝为宜。电容宜采用多只并联的方法,以降低等效串联电阻。同时采样回路中要加入RC前馈采样网络。
降低电源纹波噪声的一些超实用技巧
降低电源纹波噪声的一些超实用技巧
在应用电源模块常见的问题中,降低负载端的纹波噪声是大多数用户都关心的。下文结合纹波噪声的波形、测试方式,从电源设计及外围电路的角度出发,阐述几种有效降低输出纹波噪声的方法。
1、电源的纹波与噪声图示
纹波和噪声即:直流电源输出上叠加的与电源开关频率同频的波动为纹波,高频杂音为噪声。具体如图1 所示,频率较低且有规律的波动为纹波,尖峰部分为噪声。
2、纹波噪声的测试方法
对于中小微功率模块电源的纹波噪声测试,业内主要采用平行线测试法和靠接法两种。其中,平行线测试法用于引脚间距相对较大的产品,靠测法用于模块引脚间距小的产品。
但不管用平行线测试法还是靠测法,都需要限制示波器的带宽为20MHz,同时需要去掉地线夹。
具体如图2 和图3 所示。
图2 平行线测试法
注1:C1 为高频电容,容量为1μF;C2 为钽电容,容量为10μF。注2:两平行铜箔带之间的距离为2.5mm,两平行铜箔带的电压降之和应小于输出电压的2%。
图3 靠测法
3、去除地线夹测试的区别
测试纹波噪声需要把地线夹去掉,主要是由于示波器的地线夹会吸收各种高
直流可调稳压电源的噪声与纹波抑制技术
直流可调稳压电源的噪声与纹波抑制技术
直流可调稳压电源在电子设备中起到了至关重要的作用。然而,由
于电源输出的噪声和纹波存在,会给电子设备的正常运行和性能产生
不利影响。因此,噪声和纹波抑制技术成为了直流可调稳压电源设计
中的重要一环。
一、噪声来源及其产生机制
噪声是电子设备中不可避免的问题,电源作为电子设备的基础设备,其输出的噪声主要来自于以下几个方面:
1.原始电源
原始电源本身存在电网上的高频噪声和谐波,这些噪声会通过输入
端进入到直流可调稳压电源中。
2.开关电路
直流可调稳压电源常采用开关电路来进行电压的转换与调节,开关
电路在转换的过程中会产生噪声。
3.输出滤波电容
为了减小输出端的纹波,通常会在输出端增加滤波电容,然而,滤
波电容的不理想效果会导致输出端产生噪声。
噪声的产生机制主要有两个方面,即共模噪声和差模噪声。共模噪
声是指在输入和输出之间,两个信号共同指向地,由于电源和地之间
的电阻和电感的存在,导致共模噪声的传播。差模噪声则是指输入和
输出之间的两个信号相对地的差分信号,由于传输路径上的纹波噪声
和杂散噪声引起。
二、噪声与纹波的影响
噪声对电子设备的影响主要有两个方面。
首先,噪声会导致电子设备的工作不稳定,甚至失效。在某些需要
高精度的测量或信号处理系统中,噪声的存在会导致系统的误差增大,从而影响到整个系统的正常运行。
其次,噪声也会影响到电子设备的性能。对于一些高要求的电路系统,如音频放大器、射频通信系统等,噪声会被放大并带入到信号中,从而影响到信号的质量和清晰度。
纹波则主要影响到电子设备的工作稳定性。纹波会使得直流可调稳
开关电源产生纹波和噪声的原因和测量方法
开关电源产生纹波和噪声的原因和测量方法
关键字:噪声纹波开关电源
本文简单地介绍开关电源产生纹波和噪声的原因和测量方法、测量装置、测量标准及减小纹波和噪声的措施。
纹波和噪声产生的原因
开关电源输出的不是纯正的直流电压,里面有些交流成分,这就是纹波和噪声造成的。纹波是输出直流电压的波动,与开关电源的开关动作有关。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,从而造成输出电压的波动,波动频率与开关的频率相同。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品质有关。
噪声的产生原因有两种,一种是开关电源自身产生的;另一种是外界电磁场的干扰(EMI),它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。
开关电源自身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间产生的尖脉冲所造成,也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多,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的设计有关。
利用示波器可以看到纹波和噪声的波形,如图1所示。纹波的频率与开关管频率相同,而噪声的频率是开关管的两倍。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
纹波和噪声的测量方法
纹波和噪声电压是开关电源的主要性能参数之一,因此如何精准测量是一个十分重要问题。目前测量纹波和噪声电压是利用宽频带示波器来测量的方法,它能精准地测出纹波和噪声电压值。
由于开关电源的品种繁多(有不同的拓扑、工作频率、输出功率、不同的技术要求等),但是各生产厂家都采用示波器测量法,仅测量装置上不完全相同,因此各厂对不同开关电源的测量都有自己的标准,即企业标准。
直流稳压电源实验中的纹波与噪声分析与消除方法
直流稳压电源实验中的纹波与噪声分析与消
除方法
直流稳压电源在各种电子实验和设备中起着至关重要的作用。在使
用直流稳压电源时,我们常常会遇到纹波和噪声问题,这些问题可能
会对电子元件和电路产生不利影响。因此,对纹波和噪声进行准确的
分析和消除是非常重要的。本文将探讨直流稳压电源实验中纹波与噪
声的产生原因、分析方法以及消除方法。
一、纹波与噪声的产生原因
直流稳压电源实验中纹波与噪声的产生主要有以下几个方面的原因:
1. 电源本身的问题:直流稳压电源可能存在电源波动或者电源的设
计不合理,使得输出直流电压出现纹波。
2. 电源滤波电容:电源滤波电容的质量和容值对纹波有直接影响。
当电容的质量较差或容值较小时,就容易出现较大的纹波。
3. 复杂电路连接:在实验中,当直流稳压电源与其他电路连接时,
电源输出的纹波与噪声可能通过其他电路产生耦合作用,从而出现在
实验电路中。
二、纹波与噪声的分析方法
在直流稳压电源实验中,我们可以采用以下几种方法进行纹波与噪
声的分析:
1. 示波器显示法:将直流稳压电源输出的电压信号接入示波器并设
置合适的量程,观察示波器上的波形变化,从波形上可以分析纹波和
噪声的幅度和频率。
2. 多用表测量法:通过将直流稳压电源输出的电压信号接入多用表,选择合适的测量范围和测量方式,测量电压的均值和波动值,从而获
取纹波和噪声的相关信息。
3. 频谱分析法:通过频谱仪等设备对直流稳压电源输出的电压信号
进行频谱分析,找出纹波和噪声所在的频率区域,并获取相应的幅度
信息。
三、纹波与噪声的消除方法
在直流稳压电源实验中,为了消除输出电压中的纹波与噪声,我们
开关电源的纹波和噪声
本文简单地介绍开关电源产生纹波和噪声的原因和测量方法、测量装置、测量标准及减小纹波和噪声的措施。
一.纹波和噪声产生的原因
开关电源输出的不是纯正的直流电压,里面有些交流成分,这就是纹波和噪声造成的。纹波是输出直流电压的波动,与开关电源的开关动作有关。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,从而造成输出电压的波动,波动频率与开关的频率相同。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品质有关。
噪声的产生原因有两种,一种是开关电源自身产生的;另一种是外界电磁场的干扰(EMI),它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。
开关电源自身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间产生的尖脉冲所造成,也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多,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的设计有关。
利用示波器可以看到纹波和噪声的波形,如图1所示。纹波的频率与开关管频率相同,而噪声的频率是开关管的两倍。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
二.纹波和噪声的测量方法
纹波和噪声电压是开关电源的主要性能参数之一,因此如何精准测量是一个十分重要问题。目前测量纹波和噪声电压是利用宽频带示波器来测量的方法,它能精准地测出纹波和噪声电压值。
由于开关电源的品种繁多(有不同的拓扑、工作频率、输出功率、不同的技术要求等),但是各生产厂家都采用示波器测量法,仅测量装置上不完全相同,因此各厂对不同开关电源的测量都有自己的标准,即企业标准。
开关电源的纹波噪声的产生和测试方法
开关电源的纹波噪声的产生和测试方法随着电子技术的发展,开关电源在向着小体积、高功率密度方面发展,这就要求电源的开关频率更一步提高,从而导致电源在开关动作时产生较高的噪声干扰。由于目前还没有测试开关电源纹波和噪声的工业标准,测试结构和方法的不同会导致严重的错误和混淆。
1.开关电源纹波噪声产生的原因
开关电源输出的不是纯正的直流电压,里面含有交流成分,这就是纹波和噪声。噪声的产生原因有两种,一种是开关电源自身产生的;另一种是外界电磁场的干扰(EMI),它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。
图1纹波噪声波形
如上图1所示,纹波的频率与开关管频率相同,而噪声的频率是开关管的两倍(上面叠加了很多高频谐波分量)。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。
2、纹波和噪声的测试
在开关电源纹波和噪声的测试时首先应先确保示波器获得极少的高频成分,由于高频成分可由示波器的探头地形成的地线环放大,这就意味着示波器探头的地线可能在不正确的线路时导致几百毫伏的噪声尖峰。通常客户在对电源纹波噪声测试时直接将示波器探头地线夹在开关电源地线上,另一端直接接在正输出电压端,这是一种不正确的方法,因为探头的地线夹获取了辐射噪声,示波器探头的地线构成的环路像天线一样工作,从而引入了并放大了外界的噪声干扰。所以必须采用正确的测试方法得到开关电源实际的纹波噪声。为了防止高频噪声通过示波器探头影响测试结果,在进行纹波噪声测试时先将示波器带宽设置为20MHz。目前业内对纹波噪声的测试方法主要有邮电部推荐的双绞线测试法和贝尔实验室推荐的平行线测试法。
如何抑制电源纹波
如何抑制电源纹波
直流电压波动会产生纹波现象,叠加在直流上的分量称为纹波,在我们平常的应用中DCDC输出电源纹波过大对于正常工作的芯片可能会造成影响,严重的会导致CPU挂机,如:板载DDR颗粒的VDD纹波过大可能会使得CPU对于DDR的数据读写出错,CPU访问到非法地址空间造成芯片的挂机。
电源输出交流纹波可以视为是直流输出叠加一个交流成份;从图中可以看出,纹波中包括了两个交流成份:一个DCDC输出的纹波信号与一个高频噪声的叠加。
在龙芯3A3000手册中对于芯片的电源纹波有明显的规定。
因此对于DCDC输出电压的纹波抑制显得尤为重要。根据BUCK电路输出纹波计算公式:
减少DCDC输出纹波的几种方式如下:
1、增大BUCK输出电容:
增大输出电容容量也就是增大了电源系统所存储的能量,当CPU在加载过程中需要大电流提供时,电源平面上较大的电容即可为CPU 提供瞬时所需的能量,使得电压波动不大。但是电容的选择也是很重要的,对于小电流电源平面(负载电流3A这种)可能增加些许陶瓷电容即可达到较好的需求,但是对于大电流电源平面(负载电流上百A这种),所增加的电容容量就会变得很大,此时ESR就变成了考虑对象。通常CPU的核心电源都是低压大电流的,一般选择大容量低ESR的高分子铝电解电容,而不选择铝液体电解电容。
铝液体电解电容不同规格ESR如下:
高分子铝电解电容不同规格EESR如下:基本上为mΩ级
2、增大电源芯片的开关频率:
提高高频纹波频率,有利于抑制输出高频纹波,但是过大的开关频率容易造成EMI辐射超标,因此开关频率最好还是选择一个合适的值。
开关电源适配器输出纹波和噪声电压的抑制措施
开关电源适配器输出纹波和噪声电压的抑制措施
一、在开关电源适配器输出端采用片式三端电容器与普通电解电容器组合改善滤波的高频特性。
开关电源适配器的输出端含有较大的噪声电压的峰-峰值,这是由于电解电容器在高频下的特性不完善所造成的。因为电解电容在高频下可以用电容、电阻和电感三者的串联来等效,所以在高频下电容对噪声的旁路作用不在明显。由于电阻和电感的存在,反而使噪声电压体现在开关电源适配器的输出端。
为了抑制开关电源适配器的输出噪声,通常有两个建议可供设计人员采用:1)将输出端的电解电容一拆为几,即将一个大容量的电解电容采用几个小容量电解电容并联来替代。这一建议虽不能根本抑制噪声电压的产生,但用新办法所产生的信噪声电压的峰-峰值要比原来为小。
2)在电解电容旁边并联一个小容量的高频陶瓷电容器,利用高频电容在高频下所体现的低容抗,使输出噪声电压得到较大衰减(当然在印制电路板上的陶瓷电容也应该保持比较短的布线长度,保持尽可能小的线路阻抗)。
二、采用高性能的表面贴装滤波器。
采用表面贴装的高性能滤波器来改善输出电压噪声。贴装滤波器内部电路等效为一个π型滤波线路,在开关电源适配器的输出端串上一个贴装高性能滤波器。对比原来的输出噪声电压峰-峰值,会大幅减小,在示波器上,几乎显示为一条直线,说明输出电压的噪声已明显得到抑制,从而很好说明了表面贴装高性能滤波器在这个线路中的作用。
三、避免多个模块电源之间相互干扰。
当在同一块印制电路板上有多个模块电源一起工作,若两个模块靠得很近,模块电源本身是不屏蔽的,并且靠得很近,输出端也没有采用低阻抗的电容,而且两个模块离开实际的输出端子的距离又比较远时,则可能因为相互之间的干扰使输出噪声电压增加。为避免这种相互干扰,可采用屏蔽措施,或将它们的安装位置适当远离,以减小相互之间的影响。
直流稳压电源实验中的电源纹波噪声与滤波技术
直流稳压电源实验中的电源纹波噪声与滤波
技术
直流稳压电源是实验室、工厂等场所中电子设备测试和研发过程中
常用的电源设备。然而,在实际应用中,我们会发现电源输出的直流
信号中会夹杂着一定的纹波和噪声,这会对被供电设备产生不利影响。因此,有效地减小电源纹波噪声成为直流稳压电源实验中的重要课题。本文将介绍电源纹波噪声的来源以及常用的滤波技术,以期为读者提
供一些有关电源设计的参考和指导。
一、电源纹波噪声的来源
在直流稳压电源实验中,电源纹波噪声主要由以下几个方面造成:
1.1 整流输出波形的纹波
由于整流输出电压是通过二极管等元件进行的,而这些元件在导通
和截止过程中会导致输出电压有一定的变化。这种输出波形的不平滑
性会转化为纹波成分,对电源输出产生干扰。
1.2 电源变压器与电感阻抗特性
电源变压器和电感在交流电源供应下,会引起一定的电感电流和电
压变化。这些变化会通过电路传递至电源输出,引入纹波噪声。
1.3 电源稳压电路的不完善性
电源稳压电路中存在着各种元件的误差以及对于不同频率纹波的响
应不同,这会导致输出波形的纹波噪声。
二、滤波技术的分类
为了减小直流稳压电源实验中的纹波噪声,常用的滤波技术主要有以下几种:
2.1 无源滤波技术
无源滤波技术适用于纹波噪声频率较低的情况。它主要依靠电容器或电感等元件对输入信号进行滤波,减小纹波噪声的幅度。其中,电容器在减小高频噪声方面表现出色,而电感则对低频噪声拥有较好的滤波效果。
2.2 有源滤波技术
有源滤波技术则通过采用放大器等有源元件来对输入信号进行增益和调节以减小纹波噪声。有源滤波技术可以更好地适应各种频率的噪声,且具有较高的滤波效果。
电源纹波的产生、危害、测量和抑制
1 引言
对于电子产品来说唯一不可缺少的是电源,但是它除了提供能量外,也带来了纹波、噪声等影响电子产品正常工作的影响。纹波电压对高放、本振、混频、滤波、检波、A/D变换等电路都会产生影响,在设计控制设备、电子仪器、电视、摄像机等电子产品时都要想办法尽量减小纹波.为此就要了解纹波、知道它是如何产生的、如何测量以及抑制方法。
2 电源纹波
纹波是附着于直流电平之上的包含周期性与随机性成分的杂波信号,指在额定输出电压、电流的情况下,输出电压中的交流电压的峰值。狭义上的纹波电压,是指输出直流电压中含有的工频交流成分.
纹波用示波器可以看到,在直流电压上下轻微波动,就像水平面上波动的水纹一样,所以被称为纹波(见图1)。
图1 RIGOL示波器DS1302观察的纹波信号波形
2。1 电源纹波产生
我们通常在产品中用的电源主要有线性电源和开关电源二大类,输出的直流电压是一个
固定值,由交流电压经整流、滤波、稳压后得到.由于滤波不干净,直流电压中含有交流成分,这就产生了纹波.纹波是一种复杂的杂波信号,它是围绕输出直流电压上下来回波动的周期性信号,但周期和振幅不是定值,随时间而变,不同电源的纹波波形不一样。
产生电源纹波的因素有许多,即使你用电池供电也会因负载的波动而产生波纹。
线性电源
由于我国供电频率是50Hz,所以它的纹波主要来自工频50Hz变压器,纹波电压的频率常常是50nHz,n取自然数,大小取决于整流电路的类型。对于半波整流,是1;对于全波整流,是2;对于三相全波整流,是6,即300Hz。所以这种电源的输出端纹波主要是50HZ或它的整数倍,幅值小,较易滤除,通常纹波可做到几mV。
开关电源的纹波和噪声
开关电源的纹波和噪声
开关电源(包括AC/DC转换器、DC/DC转换器、AC/DC模块和DC/DC模块)与线性电源相比较,最突出的优点是转换效率高,一般可达80%~85%,高的可达90%~97%;其次,开关电源采用高频变压器替代了笨重的工频变压器,不仅重量减轻,体积也减小了,因此应用范围越来越广。但开关电源的缺点是由于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(低的为输出电压的0.5%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因和测量方法、测量装置、测量标准及减小纹波和噪声的措施。
纹波和噪声产生的原因
开关电源输出的不是纯正的直流电压,里面有些交流成分,这就是纹波和噪声造成的。纹波是输出直流电压的波动,与开关电源的开关动作有关。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,从而造成输出电压的波动,波动频率与开关的频率相同。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品质有关。
噪声的产生原因有两种,一种是开关电源自身产生的;另一种是外界电磁场的干扰(EMI),它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。
开关电源自身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间产生的尖脉冲所造成,也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多,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的设计有关。
DCDC降低纹波噪声的3种方法
DCDC降低纹波噪声的3种方法
1、纹波的定义
纹波是指在直流电压或电流上,有规律的叠加在直流稳定量上的交流分量。现实中的电压和电流并不是完全稳定的一条直线,而是叠加有很多的波动,并且这些波动的频率是固定的,把这些波动叫做纹波。
2、噪声的定义
噪声是指叠加在纹波之上,非连续存在并无规律的电压或者电流尖峰。也就是说噪声指的是叠加在纹波上的杂波。下面的图1很好的描述了什么是纹波噪声。
3、纹波噪声的危害
当电源的纹波噪声过大时,它们可能会影响运放的精度,干扰AD或者DA模块的工作,使得整机的精度大幅度下降。
4、如何降低纹波噪声
降低开关器件动作带来的纹波噪声:设计人员在实际的开发过程中,需要根据实际的电路
参数及性能要求进行适当的调整,进行综合考虑。
●降低输入前端的低频纹波:增加滤波措施,各种类型的电容及电感滤波电路:LC、π型等,
或者在一些条件允许的系统中,也可以在前端及后端增加稳压器件,来降低纹波噪声,在这种情况下该部分的纹波噪声则完全由稳压器件的性能决定。
●降低线路寄生及耦合导致的纹波噪声:从设计上改善寄生参数(如优化工艺设计及PCB走
线等等),还可以施加共模滤波方案。
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电源纹波噪声的产生及抑制
一、纹波
纹波(ripple)的定义是指在直流电压或电流中,叠加在直流稳定量上的交流分量。它主要有以下害处:
1.1.容易在用电器上产生谐波,而谐波会产生更多的危害;
1.2.降低了电源的效率;
1.3.较强的纹波会造成浪涌电压或电流的产生,导致烧毁用电器;
1.4.会干扰数字电路的逻辑关系,影响其正常工作;
1.5.会带来噪音干扰,使图像设备、音响设备不能正常工作。
二、纹波的表示方法
可以用有效值或峰值来表示,或者用绝对量、相对量来表示;
单位通常为:mV
例如:
一个电源工作在稳压状态,其输出为12V5A,测得纹波的有效值为10mV,这10mV 就是纹波的绝对量,而相对量即纹波系数=纹波电压/输出电压=10mv/12V=0.12%。
三、纹波的测试方法
3.1.以20M示波器带宽为限制标准,电压设为PK-PK(也有测有效值的),去除示波器控头上的夹子与地线(因为这个本身的夹子与地线会形成环路,像一个天线接收杂讯,引入一些不必要的杂讯),使用接地环(不使用接地环也可以,不过要考虑其产生的误差),在探头上并联一个10UF电解电容与一个0.1UF瓷片电容,用示波器的探针直接进行测试;如果示波器探头不是直接接触输出点,应该用双绞线,或者50Ω同轴电缆方式测量。
四、开关电源纹波的主要分类
开关电源输出纹波主要来源于五个方面:
4.1.输入低频纹波;
4.2.高频纹波;
4.3.寄生参数引起的共模纹波噪声;
4.4.功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声;
4.5.闭环调节控制引起的纹波噪声。
4.1、输入低频纹波:
低频纹波是与输出电路的滤波电容容量相关。电容的容量不可能无限制地增加,导致输出低频纹波的残留。
交流纹波经DC/DC变换器衰减后,在开关电源输出端表现为低频噪声,其大小由DC/DC变换器的变比和控制系统的增益决定。
电流型控制DC/DC变换器的纹波抑制比电压型稍有提高。但其输出端的低频交流纹波仍较大。要实现开关电源的低纹波输出,必须对低频电源纹波采取滤波措施。可采用前级预稳压和增大DC/DC变换器闭环增益来消除。
低频纹波抑制的几种常用的方法:
a、加大输出低频滤波的电感,电容参数。
△●电容上的纹波有两个成分,一个是充放电时的电压升降量,一个是电流进出电容时ESR上的I*R电压降量。
△●通过输出纹波与输出电容的关系式:vripple=Imax/(Co×f)可以看出,加大输出电容值可以减小纹波。
△●或者考虑采用并联的方式减小ESR值,或者使用LOW ESR电容。
b、采用前馈控制方法,降低低频纹波分量。
△●feed forward control(FFC)前馈控制是按照扰动产生校正作用的一种调节方式,主要用于一些纯滞后或容量滞后较大的被控参数的控制。
△●其目的是加速系统响应速度,改善系统的调节品质。
4.2、高频纹波:
高频纹波噪声来源于高频功率开关变换电路
在电路中,通过功率器件对输入直流电压进行高频开关变换后整流滤波再实现稳压输出的,在其输出端含有与开关工作频率相同频率的高频纹波,其对外电路的影响大小主要和开关电源的变换频率、输出滤波器的结构和参数有关;
设计中尽量提高功率变换器的工作频率,可以减少对高频开关纹波的滤波要求。高频纹波抑制常用的方法有以下几种:
a、提高开关电源工作频率,以提高高频纹波频率,其纹波电流△I可由下式算
出:
可以看出,增加L值,或者提高开关频率可以减小电感内的电流波动。
b、加大输出高频滤波器,可以抑制输出高频纹波。
c、采用多级滤波。
一般滤波多采用C型、LC型、CLC型,为了更好的抑制纹波,可以采用增加多一级LC滤波。
4.3、寄生参数引起的共模纹波噪声:
由于功率器件与散热器底板和变压器原、副边之间存在寄生电容,导线存在寄生
电感,减小与控制功率器件、变压器与机壳地之间的寄生电容,并将散热器有效接地(根据不同情况,可选择通过电容接地,或电容串电阻接地),同时在输出侧加共模电感及电容,可减小输出的共模纹波噪声。
因此当矩形波电压作用于功率器件时,开关电源的输出端因此会产生共模纹波噪声。减小与控制功率器件、变压器与机壳地之间的寄生电容,并在输出侧加共模抑制电感及电容,可减小输出的共模纹波噪声。
减小输出共模纹波噪声的常用方法:
a、输入、输出采用专门设计的EMI滤波器。
b、降低开关毛刺幅度。
主开关管是开关电源的核心器件,同时也是干扰源。其工作频率直接与电磁干扰的强度相关。随着开关管的工作频率升高,开关管电压、电流的切换速度加快,其传导干扰和辐射干扰也随之增加。
此外,主开关管上反并联的钳位二极管的反向恢复特性不好,或者电压尖峰吸收电路的参数选择不当也会造成电磁干扰。
4.4、功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声
超高频谐振噪声主要来源于:
※高频整流二极管反向恢复时二极管结电容、功率器件开关
※时功率器件结电容与线路寄生电感的谐振;
※频率一般为1-10MHz;
通过选用软恢复特性二极管、结电容小的开关管和减少布线长度等措施可以减少超高频谐振噪声。
a、理想的二极管在承受反向电压时截止,不会有反向电流通过。
而实际二极管正向导通时,PN结内的电荷被积累,当二极管承受反向电压时,PN结内积累的电荷将释放并形成一个反向恢复电流,它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。反向恢复电流在变压器漏感和其他分布参数的影响下将产生较强烈的高频衰减振荡。
因此,输出整流二极管的反向恢复噪声也成为开关电源中一个主要的干扰源。
二极管反向恢复的等效电路如下:
图4中:R0为次级绕线电阻,引线电阻及二极管导通电阻之和;L0为变压器漏感和引线电感之和;