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降低電源輸出紋波噪聲的三個方法
來源:
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作者:pmtf0ad90
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發(fā)布時間: 2019-06-24
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一、紋波和噪聲是如何產(chǎn)生的
如下圖1所示，藍(lán)線框內(nèi)的是紋波，而藍(lán)線框外的是噪聲，紋波和噪聲雖然都體現(xiàn)在一個波形上，但所屬不同的部分。
紋波的產(chǎn)生是由于開關(guān)電源在向輸出端傳遞不連續(xù)能量而引起的波動，該波動的頻率為開關(guān)管的頻率，幅值的大小與設(shè)計(jì)時的電流紋波率及輸出濾波電容有關(guān)。而噪聲的產(chǎn)生主要是開關(guān)管在導(dǎo)通或關(guān)端瞬間，由其電路中或器件上寄生的電感與電容引起的振鈴現(xiàn)象，噪聲放大以后頻率較高，幅值也較大。
二、如何減小紋波
紋波的產(chǎn)生是由開關(guān)傳遞斷續(xù)的能量引起的，從開關(guān)電源的內(nèi)部設(shè)計(jì)來著手，可以提高開關(guān)管的頻率，使每次傳遞的能量減小從而減小紋波，也可以增大傳遞能量的電感值L，使電流的突變峰值降低，從而減小紋波的波動幅度。
從模塊外部，尤其是在客戶端，可以增加輸出濾波電容來減小紋波，但不能無限加大電容，因?yàn)榇蠖鄶?shù)開關(guān)電源模塊有最大容性負(fù)載限制。
三、如何減小噪聲
1.電源PCB走線和布局
輸出濾波電容放置及走線對噪聲至關(guān)重要，如圖2所示，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中由于到達(dá)每個電容的阻抗不一樣，所以高頻電流在三個電容中分配不均勻，改進(jìn)設(shè)計(jì)中可以看出每個回路長度相當(dāng)即高頻電流會均勻分配到每個電容中，電流的輸入輸出路徑一定要先經(jīng)過電容，且布板的鋪銅盡量向電容兩極收斂。
如果PCB是多層板，可以選擇和主電流回路層最近一層覆地，覆地可以有效的解決噪聲問題，注意，盡量保證覆地的完整性。
2.電路吸收噪聲
增加RCD吸收開關(guān)管關(guān)斷時產(chǎn)生的電壓尖峰，來減小耦合到輸出端的噪聲。一般選擇場效應(yīng)管的反向恢復(fù)時間要比二極管D1慢2~3倍，以避免形成直通電流，此電流會產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場，會增大輸出噪聲，所以可通過柵極電阻R4來減慢開關(guān)管的導(dǎo)通速度。為了不影響關(guān)斷速度可以在柵極電阻并聯(lián)一個二極管D2如圖3所示。
可以在場效應(yīng)管DS兩端并聯(lián)一個RC電路也可以有效的降低噪聲如圖3所示，電容C2一般在100PF~300PF左右，電容值過大會導(dǎo)致場效應(yīng)管的開關(guān)損耗加大，電阻R2一般選取小于10Ω電阻。
二極管在高速導(dǎo)通和關(guān)斷時，反向恢復(fù)期間，二極管的寄生電感和電容會產(chǎn)生高頻振蕩，為了抑制高頻振蕩可在二極管兩端加RC緩沖電路如圖3所示，電阻R3一般在1Ω~100Ω，電容C3一般在100pF~1nF，如果電源工作頻率較低，效率滿足要求的話，二極管D3可以選擇反向恢復(fù)時間較慢的二極管。
3.變壓器設(shè)計(jì)減小噪聲
變壓器的繞組通過高頻電流時，變壓器將變成有效的磁場天線，變壓器繞組又承受跳躍電壓，即變壓器也變成了電場天線，在初次級之間加法拉第屏蔽層可收集隔離邊界處的噪聲電流，并予以轉(zhuǎn)移到原邊地，但銅箔應(yīng)為非常薄的銅箔帶，盡量避免渦流損耗并減小漏感，注意，銅屏蔽層末端不應(yīng)有連接，否則會形成磁短路。
采用三明治繞法可使初次級繞組耦合更加緊密，使漏感得以減小，從而到達(dá)減小噪聲的目的，也可以用六面屏蔽金屬外殼減小對外的噪聲干擾。
總結(jié)：在設(shè)計(jì)電源時，有上述一些方法可降低輸出的紋波噪聲，當(dāng)然不是全部方法；如果選用成品電源，不管是模塊電源、普通開關(guān)電源、電源適配器等，這部分的工作一般都由電源設(shè)計(jì)廠家完成，客戶只需關(guān)注規(guī)格書寫明的輸出紋波噪聲即可。
紋波的產(chǎn)生是由于開關(guān)電源在向輸出端傳遞不連續(xù)能量而引起的波動，該波動的頻率為開關(guān)管的頻率，幅值的大小與設(shè)計(jì)時的電流紋波率及輸出濾波電容有關(guān)。而噪聲的產(chǎn)生主要是開關(guān)管在導(dǎo)通或關(guān)端瞬間，由其電路中或器件上寄生的電感與電容引起的振鈴現(xiàn)象，噪聲放大以后頻率較高，幅值也較大。
圖1
二、如何減小紋波
紋波的產(chǎn)生是由開關(guān)傳遞斷續(xù)的能量引起的，從開關(guān)電源的內(nèi)部設(shè)計(jì)來著手，可以提高開關(guān)管的頻率，使每次傳遞的能量減小從而減小紋波，也可以增大傳遞能量的電感值L，使電流的突變峰值降低，從而減小紋波的波動幅度。
從模塊外部，尤其是在客戶端，可以增加輸出濾波電容來減小紋波，但不能無限加大電容，因?yàn)榇蠖鄶?shù)開關(guān)電源模塊有最大容性負(fù)載限制。
三、如何減小噪聲
1.電源PCB走線和布局
輸出濾波電容放置及走線對噪聲至關(guān)重要，如圖2所示，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中由于到達(dá)每個電容的阻抗不一樣，所以高頻電流在三個電容中分配不均勻，改進(jìn)設(shè)計(jì)中可以看出每個回路長度相當(dāng)即高頻電流會均勻分配到每個電容中，電流的輸入輸出路徑一定要先經(jīng)過電容，且布板的鋪銅盡量向電容兩極收斂。
圖2
如果PCB是多層板，可以選擇和主電流回路層最近一層覆地，覆地可以有效的解決噪聲問題，注意，盡量保證覆地的完整性。
2.電路吸收噪聲
增加RCD吸收開關(guān)管關(guān)斷時產(chǎn)生的電壓尖峰，來減小耦合到輸出端的噪聲。一般選擇場效應(yīng)管的反向恢復(fù)時間要比二極管D1慢2~3倍，以避免形成直通電流，此電流會產(chǎn)生很強(qiáng)的磁場，會增大輸出噪聲，所以可通過柵極電阻R4來減慢開關(guān)管的導(dǎo)通速度。為了不影響關(guān)斷速度可以在柵極電阻并聯(lián)一個二極管D2如圖3所示。
圖3
可以在場效應(yīng)管DS兩端并聯(lián)一個RC電路也可以有效的降低噪聲如圖3所示，電容C2一般在100PF~300PF左右，電容值過大會導(dǎo)致場效應(yīng)管的開關(guān)損耗加大，電阻R2一般選取小于10Ω電阻。
二極管在高速導(dǎo)通和關(guān)斷時，反向恢復(fù)期間，二極管的寄生電感和電容會產(chǎn)生高頻振蕩，為了抑制高頻振蕩可在二極管兩端加RC緩沖電路如圖3所示，電阻R3一般在1Ω~100Ω，電容C3一般在100pF~1nF，如果電源工作頻率較低，效率滿足要求的話，二極管D3可以選擇反向恢復(fù)時間較慢的二極管。
3.變壓器設(shè)計(jì)減小噪聲
變壓器的繞組通過高頻電流時，變壓器將變成有效的磁場天線，變壓器繞組又承受跳躍電壓，即變壓器也變成了電場天線，在初次級之間加法拉第屏蔽層可收集隔離邊界處的噪聲電流，并予以轉(zhuǎn)移到原邊地，但銅箔應(yīng)為非常薄的銅箔帶，盡量避免渦流損耗并減小漏感，注意，銅屏蔽層末端不應(yīng)有連接，否則會形成磁短路。
采用三明治繞法可使初次級繞組耦合更加緊密，使漏感得以減小，從而到達(dá)減小噪聲的目的，也可以用六面屏蔽金屬外殼減小對外的噪聲干擾。
總結(jié)：在設(shè)計(jì)電源時，有上述一些方法可降低輸出的紋波噪聲，當(dāng)然不是全部方法；如果選用成品電源，不管是模塊電源、普通開關(guān)電源、電源適配器等，這部分的工作一般都由電源設(shè)計(jì)廠家完成，客戶只需關(guān)注規(guī)格書寫明的輸出紋波噪聲即可。
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