开关电源电压纹波

电压纹波

  • 1.概念及影响
    • 1.1 什么是电压纹波?
    • 1.2 纹波的危害
  • 2.来源
    • 2.1 电容的影响
    • 2.2 环路的影响
  • 3.减小纹波的方法
  • 4.纹波的测量方法
  • 5. 补充

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。
开关电源电压纹波_第1张图片
电感电流为
在这里插入图片描述
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
开关电源电压纹波_第2张图片
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:
开关电源电压纹波_第3张图片
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
在这里插入图片描述
极小值为:
在这里插入图片描述
对于关断阶段,当t为关断时间的一半时有极大值
在这里插入图片描述
那么电压纹波的峰峰值为
开关电源电压纹波_第4张图片
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
    开关电源电压纹波_第5张图片
    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
    开关电源电压纹波_第6张图片
    可以看到是一个跟时间无关的量,叠加在前两个波形上为
    开关电源电压纹波_第7张图片

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,
开关电源电压纹波_第8张图片
然后出现的波形,是这样的
开关电源电压纹波_第9张图片
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。
开关电源电压纹波_第10张图片
开关电源电压纹波_第11张图片
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

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