開關(guān)模式電源在突發(fā)模式下，輸出電壓紋波怎么改善

開關(guān)模式電源(Switch Mode Power Supply，簡稱SMPS)，又稱交換式電源、開關(guān)變換器，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，是電源供應(yīng)器的一種。其功能是將一個位準(zhǔn)的電壓，透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需求的電壓或電流。開關(guān)電源的輸入多半是交流電源(例如市電)或是直流電源，而輸出多半是需要直流電源的設(shè)備，例如個人電腦，而開關(guān)電源就進行兩者之間電壓及電流的轉(zhuǎn)換。

開關(guān)電源不同于線性電源，開關(guān)電源利用的切換晶體管多半是在全開模式(飽和區(qū))及全閉模式(截止區(qū))之間切換，這兩個模式都有低耗散的特點，切換之間的轉(zhuǎn)換會有較高的耗散，但時間很短，因此比較節(jié)省能源，產(chǎn)生廢熱較少。理想上，開關(guān)電源本身是不會消耗電能的。電壓穩(wěn)壓是通過調(diào)整晶體管導(dǎo)通及斷路的時間來達到。相反的，線性電源在產(chǎn)生輸出電壓的過程中，晶體管工作在放大區(qū)，本身也會消耗電能。開關(guān)電源的高轉(zhuǎn)換效率是其一大優(yōu)點，而且因為開關(guān)電源工作頻率高，可以使用小尺寸、輕重量的變壓器，因此開關(guān)電源也會比線性電源的尺寸要小，重量也會比較輕。若電源的高效率、體積及重量是考慮重點時，開關(guān)電源比線性電源要好。不過開關(guān)電源比較復(fù)雜，內(nèi)部晶體管會頻繁切換，若切換電流尚未加以處理，可能會產(chǎn)生噪聲及電磁干擾影響其他設(shè)備，而且若開關(guān)電源沒有特別設(shè)計，其電源功率因數(shù)可能不高。

具有固定開關(guān)頻率的開關(guān)電源，也并非總是顯示連續(xù)的脈沖。在某些情況下，由于各種原因，脈沖會被忽略。在考慮輸出紋波電壓和EMI效應(yīng)時，這一點非常重要。

用于電壓轉(zhuǎn)換的開關(guān)穩(wěn)壓器通常采用可調(diào)的或固定的開關(guān)頻率。這個值通常在開關(guān)穩(wěn)壓器IC數(shù)據(jù)手冊的第一頁列出。對于電源電路來說，開關(guān)頻率的選擇是很重要的，因為它會影響到外部無源器件的尺寸和成本。此外，開關(guān)頻率還會影響可實現(xiàn)的轉(zhuǎn)換效率。對于整個電路(不僅是功率轉(zhuǎn)換器，還包括系統(tǒng)中的其他電路部分)，開關(guān)頻率的選擇也非常重要。ADI通常在整個系統(tǒng)受干擾最小的頻率范圍內(nèi)選擇開關(guān)頻率。受印刷電路板的寄生效應(yīng)影響，電源的開關(guān)頻率通常通過電容和電感耦合方式與電路的許多部分耦合。

在選擇了正確的開關(guān)頻率之后，電路設(shè)計人員在評估實際電路時，往往會得出令人驚訝的結(jié)果。在選定的開關(guān)頻率下，所設(shè)計的電路常常不能按預(yù)期開關(guān)。通常有以下兩方面原因。

突發(fā)模式

許多應(yīng)用需要非常高的轉(zhuǎn)換效率，即使在低輸出負載下也是如此。如果所需的輸出功率只有幾mW，開關(guān)穩(wěn)壓器本身的供電電流是嚴(yán)重不成比例的。如果以百分比表示效率，這一點尤其明顯。為了提高這些情況下的效率，開關(guān)穩(wěn)壓器IC通常會配置特殊的突發(fā)模式。圖1顯示在突發(fā)模式®下，開關(guān)穩(wěn)壓器的電壓隨時間的變化。在切換到較長的暫停階段之前，開關(guān)節(jié)點會開關(guān)一次。在這個暫停階段，開關(guān)穩(wěn)壓器IC的許多功能進入睡眠模式，只需消耗極少量的電能。圖1顯示了開關(guān)節(jié)點電壓、電感電流和輸出電壓

在突發(fā)模式下工作時，輸出電壓的紋波更大。相比在正常工作條件下由開關(guān)頻率設(shè)置的電壓紋波，其頻率要低得多。根據(jù)電壓轉(zhuǎn)換器IC和電路條件，在突發(fā)階段操作時，通常會存在極少量的脈沖，例如，一個脈沖或大量脈沖。通常，在輸出電壓達到設(shè)定的上限閾值之前，會產(chǎn)生盡可能多的脈沖。之后會暫停一段時間，直到輸出電壓降到低于閾值下限。在這種情況下，在脈沖期間，仍然會按照選定的開關(guān)頻率進行開關(guān)，但由突發(fā)階段定義的更低的頻率和暫停階段也會出現(xiàn)在頻譜中。

脈沖跳頻模式

另一種模式是脈沖跳頻模式。許多類型的功率轉(zhuǎn)換器都提供這種模式。在許多拓撲設(shè)計中，開關(guān)節(jié)點上每出現(xiàn)一次脈沖時，會有一定量的電能基于正常的最低導(dǎo)通時間從功率轉(zhuǎn)換器的輸入端移動到輸出端。但是，如果在這時候，負載不需要或只需要很少量的電能，輸出電壓會上升。一些脈沖會被跳過，以防輸出電壓上升過多。此時，輸出電壓的電壓紋波也會增大。脈沖跳頻模式通常由反饋節(jié)點上的過壓比較器激活。例如，如果跳過每秒脈沖，即可在頻譜中看到相當(dāng)于設(shè)置開關(guān)頻率一半的開關(guān)頻率(FFT表示法)。

與突發(fā)模式相比，在脈沖跳頻模式下，只需讓輸出電壓保持在特定范圍內(nèi)，不會節(jié)省大量電能。所以，轉(zhuǎn)換效率只會稍稍提高。

因此，如果開關(guān)穩(wěn)壓器以不同于設(shè)置頻率的開關(guān)頻率開關(guān)，可能是因為電路處于突發(fā)模式或脈沖跳頻模式。

但是，可能有其他原因?qū)е略陂_關(guān)節(jié)點出現(xiàn)非連續(xù)脈沖。其中包括：一般控制環(huán)路不穩(wěn)定、達到現(xiàn)有的限流值、溫度超過熱關(guān)斷限值等。

結(jié)論

開關(guān)模式電源能夠以不同于預(yù)期開關(guān)頻率的脈沖運行。這一般發(fā)生在低負載條件下。理解這種行為背后的機制，這在評估開關(guān)模式電源電路時是非常有用的。設(shè)計人員可以以此為依據(jù)，準(zhǔn)確推斷電源是否正在可靠運行。