電源紋波雜訊都是來自這5個方面！

最新 06-28

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一.什麼是紋波?

紋波(ripple)的定義是指在直流電壓或電流中,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．降低了電源的效率；

1.3．較強的紋波會造成浪涌電壓或電流的產生，導致燒毀用電器；

1.4．會干擾數字電路的邏輯關係，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、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：

一個電源工作在穩壓狀態,其輸出為12V5A，測得紋波的有效值為10mV，這10mV就是紋波的絕對量，而相對量即紋波係數=紋波電壓/輸出電壓=10mv/12V=0.12%。

三、紋波的測試方法

3.1．以20M示波器帶寬為限制標準，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），在探頭上並聯一個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、開關電源紋波的主要分類

開關電源輸出紋波主要來源於五個方面：

4.1.輸入低頻紋波;

4.2.高頻紋波;

4.3.寄生參數引起的共模紋波雜訊;

4.4.功率器件開關過程中產生的超高頻諧振雜訊;

4.5.閉環調節控制引起的紋波雜訊。

4.1、輸入低頻紋波:

低頻紋波是與輸出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，導致輸出低頻紋波的殘留。

交流紋波經DC/DC變換器衰減後，在開關電源輸出端表現為低頻雜訊，其大小由DC/DC變換器的變比和控制系統的增益決定。

電流型控制DC/DC變換器的紋波抑制比電壓型稍有提高。但其輸出端的低頻交流紋波仍較大。要實現開關電源的低紋波輸出，必須對低頻電源紋波採取濾波措施。

可採用前級預穩壓和增大DC/DC變換器閉環增益來消除。

低頻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。

電容上的紋波有兩個成分,一個是充放電時的電壓升降量，一個是電流進出電容時ESR上的I*R電壓降量。

通過輸出紋波與輸出電容的關係式：vripple=Imax/(Co×f)可以看出，加大輸出電容值可以減小紋波。

或者考慮採用並聯的方式減小ESR值,或者使用LOW ESR電容。

b、採用前饋控制方法，降低低頻紋波分量。

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，主要用於一些純滯後或容量滯後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、高頻紋波:

高頻紋波雜訊來源於高頻功率開關變換電路

在電路中，通過功率器件對輸入直流電壓進行高頻開關變換後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紋波，其對外電路的影響大小主要和開關電源的變換頻率、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紋波的濾波要求。

高頻紋波抑制常用的方法有以下幾種：

a、提高開關電源工作頻率，以提高高頻紋波頻率，其紋波電流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電流波動。

b、加大輸出高頻濾波器，可以抑制輸出高頻紋波。

c、採用多級濾波。

一般濾波多採用C型、LC型、CLC型，為了更好的抑制紋波，可以採用增加多一級LC濾波。

4.3、寄生參數引起的共模紋波雜訊:

由於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，並將散熱器有效接地（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，可減小輸出的共模紋波雜訊。

因此當矩形波電壓作用於功率器件時，開關電源的輸出端因此會產生共模紋波雜訊。減小與控制功率器件、變壓器與機殼地之間的寄生電容，並在輸出側加共模抑制電感及電容，可減小輸出的共模紋波雜訊。

減小輸出共模紋波雜訊的常用方法:

a、輸入、輸出採用專門設計的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，開關管電壓、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，主開關管上反並聯的鉗位二極體的反向恢復特性不好，或者電壓尖峰吸收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雜訊

超高頻諧振雜訊主要來源於：

※高頻整流二極體反向恢復時二極體結電容、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體、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雜訊。

a、理想的二極體在承受反向電壓時截止，不會有反向電流通過。

而實際二極體正嚮導通時，PN結內的電荷被積累，當二極體承受反向電壓時，PN結內積累的電荷將釋放並形成一個反向恢複電流，它恢復到零點的時間與結電容等因素有關。反向恢複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，輸出整流二極體的反向恢復雜訊也成為開關電源中一個主要的干擾源。

二極體反向恢復的等效電路如下：

圖4中：R0為次級繞線電阻，引線電阻及二極體導通電阻之和；L0為變壓器漏感和引線電感之和；

利用等效電路的計算公式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電流尖峰是很大的。再加上後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)。

輸出整流二極體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與二極體串聯工作。飽和電感的磁芯是用具有矩形BH曲線的磁性材料製成的。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並很容易進入飽和。實際使用中，在輸出整流二極體導通時，使飽和電感工作在飽和狀態下，相當於一段導線；當二極體關斷反向恢復時，使飽和電感工作在電感特性狀態下，阻礙了反向恢複電流的大幅度變化，從而抑制了它對外部的干擾。

圖5飽和電感在減小二極體反向恢複電流中的應用

為了抑制二極體尖峰，需在二極體兩端並聯電容C或RC緩衝網路。

RC網路的取值原則：C從0.01μF～0.1μF，串聯電阻用於限制電容C的放電電流，也為了阻止由於迴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不小於4Ω)

b、分布及寄生參數引起的開關電源雜訊

b1、開關電源的分布參數是多數干擾的內在因素，開關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、原副邊的漏感都是雜訊源。

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、製造工藝有關。

b3、可以通過改進繞制工藝和結構、增加繞組之間的絕緣、採用法拉第屏蔽等方法來減小繞組間的分布電容。

b4、而開關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。採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。為了保證開關電源在高頻工作時的穩定性，設計開關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，由於電感的不可控性，最終使其變成一根發射線。也就成為了開關電源中的輻射干擾源。導線長度l ，線徑d與其電感量的關係為：L(μH) = 0.002 l【ln（ 4l / d ) －1 】