开关电源电压纹波

1.概念及影响

1.1 什么是电压纹波？

这几天自制的电源终于有输出了，但是加载后输出纹波特别大，如下图所示，明明给的稳态负载，占空比还波动的特别厉害，加几颗大容量的钽电容也不行，算了，先仔细研究下产生原因，在下对策吧。

在电源设计中，常常规定了电压输出纹波的要求（现在输出电压的要求一般<1%）。
那么什么是电压纹波？
以buck电路输出电压为例说明，纹波指的是，直流电压上叠加的周期型的脉动信号。，一般用峰峰值表示。

1.2 纹波的危害

纹波的很多危害，所以我们要降低它，主要有以下几种。

• 容易造成浪涌电压和电流。因为电路中很多寄生电感和电容，变化的电压会在电容上产生变化的电流，变化的电流会在电感上产生变化的电压。
• 干扰数字电路的逻辑关系。因为数字高低电平有一定的电压范围，纹波的叠加可能使得高电平变成低电平，影响数字电路的工作状态。
• 会带来噪声的干扰，使图像设备，音响设备不能工作。
• 降低电源的效率。纹波叠加在电路中会增加额外的损耗。

2.来源

纹波有以下来源：

• 电容的影响。主要是电容的充放电和ESR引起的。
• 高频纹波。主要是开关器件开关导致，频率是开关频率。
• 寄生参数引起的共模纹波噪声。
• 功率器件开关过程中产生的超高频谐振噪声。主要是二极管反向恢复的结电容导致。
• 闭环调节控制引起的纹波噪声。
  下面主要讲电容的影响和环路的影响，因为实验中纹波频率较低。

2.1 电容的影响

电压纹波一方面来自于电容储能的变化，另一方面来自于电容等效ESR。下面从两方面进行分析。
1.电容储能带来的纹波
假设负载电流恒定，那么电感电流的变化，等于电容电流的变化。

电感电流为

根据电容电压电流方程I=Cdu/dt，可得到变化的电容电压方程

由于t=0时电容电压变化为0，所以方程的常数为0.得到如下式子：

对以上式子求微分，可得到极值。
对于导通阶段，当t为导通时间的一半时有极小值。

极小值为：

对于关断阶段，当t为关断时间的一半时有极大值。

那么电压纹波的峰峰值为

由上面的式子可知，电压极值都出现在电流为0的时刻，这从感性上理解也是说的通的。当电容电流越来越小时，表示电容充电完成，所以电压值最大。
我们再来梳理一下思路。
1）电容电压波动的原因之一，来自于电容电流的波动，在负载电流不变的情况下，电容电流的波动来自于电感电流的波动，而电感电流的波动原因来自于开关管的开通和关断。
2）从纹波公式可以看出:

• 电流纹波率一定的情况下（一般为经验值，0.4），负载越大，电容纹波越大
• 有两种方法减小纹波值，第一是增加电容容值，第二是增加开关频率
  2.电容ESR带来的纹波
  上面的电容纹波是不考虑ESR的，若考虑，电容的电流会在ESR上形成压降，叠加在之前的电压纹波上。
  两者的叠加情况如下
  
  3.电容ESL带来的纹波
  电容电流的变化，还会在其ESL(等效串联电感)上产生压降，如下图
  
  可以看到是一个跟时间无关的量，叠加在前两个波形上为
  

2.2 环路的影响

环路的不稳定，会导致输出振荡，由于闭环调节，占空比也会变化厉害，所以导致纹波增加。
所以需要合理选择闭环调节器的开环放大倍数和闭环调节器的参数，开环放大倍数过大会引起调节器的振荡或自激，使输出纹彼含量增加，过小的开环放大倍数使输出电压稳定性变差及纹波含量增加。

3.减小纹波的方法

根据输出电压纹波产生的来源，有以下几种方法

• 选择ESR低的电容，将电解电容换成钽电容或者固态电容
• 增加电容容量，将多个电容并联，此方法还可以减小ESR,毕竟电阻并联使其和变小
• 增加开关频率，但是开关频率增加的过多，一方面会增加损耗，另一方面带来EMI的问题。
• 选择合适的环路参数。
  （目前尝试以上两种方法，纹波还是改善不大，后续找到原因再更新）

4.纹波的测量方法

使用正确的测量方法去测试纹波也是极其重要的。因为有可能你做个电源出来，信心满满的测试输出电压，指望见证奇迹，结果，测出来纹波2V多，你可能就觉得很崩溃。但是不要着急，先检查，是不是测试方法不对。
你可能是直接用小探头的地线夹夹着测试，如下图所示，

然后出现的波形，是这样的

好多尖尖。。。然后你去检查，好像跟电路里的元件振荡频率对不上啊，咋回事呢？
你应该如下面方法测试，使用最小环，噪声就会减小很多。


这样测试的原理是什么呢？具体的正确测试方法又是什么？
这样测试原理就是减小示波器探头的回路面积，减小耦合信号。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。地线环的面积越大，开关过程中获取的噪声就越大。
正确的测试方法是，以20M示波器带宽为限制标准，电压设为PK-PK，使用接地环来测量，接地环可以是示波器自带的，也可以直接用焊锡丝或者钢丝自制，只要导电即可。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。
当然，建议在输出测并联10uF和0.1uF的电容，可减小噪声。

5. 补充

2021.3.30
输出振荡最大的原因是，环路参数不合适。
在基于mathcad的计算下，选定初步的环路参数，但由于实际与理论的差别还需要实际调试，改变环路参数。
另一个原因是，输出电容远离变压器的地，导致环路太大，输出纹波大，以至于无论并联多少个电容都影响不大。
所以，开关电源种布局布线是关键。

PS:人总是遇到未知的东西会慌乱，会盲目的去试而不知其所以然，但是慢即是快，多去了解，多查资料，沉下心来，总会解决的。提醒自己，莫慌，莫乱。