?電源紋波的定義與產(chǎn)生

電源對(duì)于電子產(chǎn)品而言，不僅是能量的源泉，還可能帶來(lái)諸如紋波和噪聲等不利影響。這些紋波電壓對(duì)高放、本振、混頻、濾波、檢波以及A/D變換等關(guān)鍵電路都會(huì)造成不良影響。在設(shè)計(jì)和制造控制設(shè)備、電子儀器、電視、攝像機(jī)等電子產(chǎn)品時(shí)，我們必須設(shè)法盡量減小紋波。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們需要深入了解紋波的產(chǎn)生原理、有效的測(cè)量方法以及相應(yīng)的抑制措施。

抑制電源紋波和減小高頻噪聲的方法主要包括以下幾種?：

?電源模塊設(shè)計(jì)優(yōu)化?：

?選擇低噪聲電源芯片?：線性電源(LDO)噪聲低，但效率低，適合低功耗場(chǎng)景;開(kāi)關(guān)電源(DC-DC)效率高，但需優(yōu)化EMI設(shè)計(jì)，如采用同步整流技術(shù)?。

?增加輸出濾波電容?：使用陶瓷電容(高頻噪聲抑制，0.1μF~1μF)、電解電容(低頻紋波抑制，10μF~1000μF)和鉭電容(中頻噪聲抑制，1μF~100μF)?1。

?PCB布局與布線?：

?電源平面與地平面分層?：四層板設(shè)計(jì)(信號(hào)層→地層→電源層→信號(hào)層)，降低地回路阻抗?。

?去耦電容布局?：電容靠近電源引腳，縮短回流路徑，如在IC電源引腳旁放置0.1μF陶瓷電容(高頻噪聲)和10μF鉭電容(低頻紋波)?。

?電源線寬設(shè)計(jì)?：電流≥1A時(shí)，線寬≥20mil(0.5mm)，降低電阻與壓降。

?濾波與隔離技術(shù)?：

?輸入濾波器?：使用π型濾波器(LC或RC組合，抑制高頻噪聲)。

?共模電感?：抑制共模干擾，如電源線EMI?。

?輸出濾波器?：LC濾波器(L=10μH，C=10μF，截止頻率約1.6kHz)，鐵氧體磁珠(高頻噪聲吸收)?。

?隔離技術(shù)?：光耦隔離(數(shù)字信號(hào)隔離)和變壓器隔離(模擬信號(hào)隔離)?。

?接地設(shè)計(jì)?：

?單點(diǎn)接地與多點(diǎn)接地?：低頻電路(<1MHz)采用單點(diǎn)接地，高頻電路(>10MHz)采用多點(diǎn)接地?。

?星形接地?：敏感電路(如ADC)單獨(dú)接地，避免數(shù)字噪聲干擾。

?屏蔽與防護(hù)?：

?金屬外殼屏蔽?：開(kāi)關(guān)電源模塊加屏蔽罩，降低輻射干擾?。

?瞬態(tài)抑制二極管(TVS)?：保護(hù)電路免受浪涌電壓沖擊?。

?磁環(huán)套線?：電源線纏繞磁環(huán)，抑制高頻噪聲?。

開(kāi)關(guān)電源所用的電源芯片，一般都是switch開(kāi)關(guān)形式的，通過(guò)一定頻率頻繁打開(kāi)和關(guān)斷開(kāi)關(guān)，同時(shí)利用電感的儲(chǔ)能特性為負(fù)載供電。電感上的電流不是恒定的而是在有效值上下浮動(dòng)，所以在輸出端也會(huì)出現(xiàn)與切換頻率相同的紋波，另外在切換的邊沿會(huì)產(chǎn)生尖峰脈沖，這就形成了噪聲。以上是開(kāi)關(guān)電源噪聲和紋波的來(lái)源，對(duì)于紋波和噪聲比較敏感的負(fù)載電路，必須想辦法抑制紋波、減小噪聲后才可使用。一般有如下幾種方式。

1.開(kāi)關(guān)電源后使用LDO降壓芯片

對(duì)于低電壓供電的嵌入式主板而言，一般對(duì)紋波和噪聲都有比較高的要求，不會(huì)直接使用開(kāi)關(guān)電源供電，而是在開(kāi)關(guān)電源后使用性能良好的LDO降壓電源芯片。LDO的轉(zhuǎn)換效率雖然不占優(yōu)勢(shì)，但是其紋波和噪聲一般比較小，對(duì)于3.3V、1.2V等應(yīng)用，都是使用LDO作為供電方案。

2.接入RC吸收電路

在使用DC/DC類電源芯片時(shí)，都會(huì)使用一個(gè)快速回復(fù)的二極管給輸出構(gòu)成續(xù)流回路，DC/DC類芯片的切換頻率一般都是幾百KHz，頻率比較高。二極管在高速截止時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生高頻振蕩的情況，為了防止這種情況，會(huì)在二極管上并聯(lián)RC吸收電路，但是對(duì)于具體的RC的參數(shù)，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。

3.加入濾波電路

加如濾波電路是最常使用的濾波方法。由于電感具有阻礙電流變化的特性，所以電感值越大其電流的波動(dòng)性也就越小，所以加大電感值可以抑制紋波。電容具有儲(chǔ)能作用，電容值越大儲(chǔ)能能力越強(qiáng)，其濾波效果越明顯。所以適當(dāng)加大電感值和電容值可以抑制紋波和噪聲。

低頻紋波與輸出電路的濾波電容容量緊密相關(guān)

由于電容容量無(wú)法無(wú)限增加，因此總會(huì)存在一定量的低頻紋波。經(jīng)過(guò)DC/DC變換器衰減后的交流紋波，在開(kāi)關(guān)電源輸出端呈現(xiàn)為低頻噪聲，其大小主要受DC/DC變換器的變比和控制系統(tǒng)增益的影響。值得注意的是，電流型控制DC/DC變換器的紋波抑制相比電壓型有所提升，但輸出端的低頻交流紋波仍相對(duì)較大。為了實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的低紋波輸出，必須采取措施對(duì)低頻電源紋波進(jìn)行濾波，這可以通過(guò)前級(jí)預(yù)穩(wěn)壓和增大DC/DC變換器閉環(huán)增益來(lái)實(shí)現(xiàn)。

具體來(lái)說(shuō)，抑制低頻紋波的常用方法包括：

a、增加輸出低頻濾波的電感和電容參數(shù)，從而降低低頻紋波至所需水平。

b、采用前饋控制方法，進(jìn)一步減小低頻紋波分量。

高頻紋波噪聲則主要源自高頻功率開(kāi)關(guān)變換電路

在電路中，功率器件對(duì)輸入直流電壓進(jìn)行高頻開(kāi)關(guān)變換后，經(jīng)過(guò)整流濾波實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。這一過(guò)程中，輸出端會(huì)產(chǎn)生與開(kāi)關(guān)工作頻率相同的高頻紋波。這種紋波對(duì)外電路的影響程度與開(kāi)關(guān)電源的變換頻率、輸出濾波器的結(jié)構(gòu)及參數(shù)密切相關(guān)。在設(shè)計(jì)中，提高功率變換器的工作頻率可以有效降低對(duì)高頻開(kāi)關(guān)紋波的濾波要求。

高頻紋波的抑制旨在為高頻紋波提供有效的通路，以降低其對(duì)外電路的影響。為實(shí)現(xiàn)這一目的，可以采用以下策略：

a、提升開(kāi)關(guān)電源的工作頻率，從而增加高頻紋波的頻率，進(jìn)而更易抑制輸出端的高頻紋波。

b、增大輸出端的高頻濾波器容量，以減少高頻紋波的幅度。

c、采用多級(jí)濾波技術(shù)，進(jìn)一步提升對(duì)高頻紋波的抑制效果。

此外，開(kāi)關(guān)電源的輸出端還會(huì)產(chǎn)生共模紋波噪聲，這主要是由于功率器件與散熱器底板、變壓器原副邊以及導(dǎo)線之間的寄生電容和寄生電感所致。為了減小這種噪聲，可以采取以下措施：

a、在輸出側(cè)增加專門(mén)設(shè)計(jì)的EMI濾波器，以降低共模紋波噪聲的幅度。

b、優(yōu)化開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，降低開(kāi)關(guān)毛刺的幅度，從而減小共模紋波噪聲。

另外，超高頻諧振噪聲也是開(kāi)關(guān)電源中常見(jiàn)的問(wèn)題之一，它主要來(lái)源于高頻整流二極管的反向恢復(fù)以及功率器件的開(kāi)關(guān)過(guò)程。為了減少這種噪聲，可以采取以下策略：

a、選用具有軟恢復(fù)特性的二極管，以降低反向恢復(fù)時(shí)的電壓尖峰。

b、選擇結(jié)電容較小的開(kāi)關(guān)管，以減小諧振的影響。

c、優(yōu)化布線設(shè)計(jì)，縮短布線長(zhǎng)度，以降低線路寄生電感的影響。

開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓通常需要通過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定，然而，調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)計(jì)的不合理可能會(huì)引發(fā)紋波問(wèn)題。當(dāng)輸出端出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，這些波動(dòng)會(huì)通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入調(diào)節(jié)器回路，有時(shí)甚至可能導(dǎo)致調(diào)節(jié)器的自激振蕩，進(jìn)而產(chǎn)生無(wú)法預(yù)料的附加紋波。這種紋波電壓的頻率通常是不固定的，特別是在開(kāi)關(guān)直流電源中，調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇的不當(dāng)往往會(huì)導(dǎo)致輸出紋波的顯著增大。