抑制紋波提高開關(guān)電源整體性能

開關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制PWM控制IC和MOSFET構(gòu)成，控制開關(guān)管時(shí)間比率維持穩(wěn)定的輸出電壓。由于鐵圈匝數(shù)以及鐵芯體積的減少，開關(guān)電源的損耗很低，效率普遍較高，一般都能達(dá)到90%的電源效率。再加上其體積小，輸出穩(wěn)定，在很多方面都優(yōu)勢(shì)明顯。

紋波(ripple)的定義是指在直流電壓或電流中,疊加在直流穩(wěn)定量上的交流分 量。

它主要有以下害處：

1.1.容易在用電器上產(chǎn)生諧波，而諧波會(huì)產(chǎn)生更多的危害;

1.2.降低了電源的效率;

1.3.較強(qiáng)的紋波會(huì)造成浪涌電壓或電流的產(chǎn)生，導(dǎo)致燒毀用電器;

1.4.會(huì)干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系，影響其正常工作;

1.5.會(huì)帶來噪音干擾，使圖像設(shè)備、音響設(shè)備不能正常工作

但換個(gè)角度看，其缺點(diǎn)也很明顯。電路復(fù)雜、電源噪聲大、瞬態(tài)響應(yīng)不足、輸出紋波復(fù)雜、易產(chǎn)生電磁干擾等等問題也是擺在面前的，對(duì)于一些低噪聲電路，開關(guān)電源往往無能為力。這些缺點(diǎn)產(chǎn)生于何處，又該如何避免?

抑制紋波提高開關(guān)電源整體性能

紋波可能會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生各種危害，而且對(duì)電路極其致命。首先紋波一旦產(chǎn)生就容易引起諧波，對(duì)電路本身造成危害的同時(shí)降低電源效率。較高的紋波則會(huì)造成浪涌，直接破壞電路。即便不直接破壞掉電路，也會(huì)大大干擾數(shù)字電路的邏輯關(guān)系影響運(yùn)行。

開關(guān)電源的輸出紋波主要來源于輸出低頻紋波的殘留、與開關(guān)工作相同高頻的高頻紋波、寄生引起的共模紋波噪聲、功率器件開關(guān)超高頻諧振噪聲以及閉環(huán)調(diào)節(jié)控制引起的紋波噪聲。輸出低頻紋波的殘留源于輸出電路的濾波電容容量不理想。抑制這一類紋波的方式相對(duì)簡(jiǎn)單，通過加大輸出電容或者采用并聯(lián)的方式減小ESR即可。閉環(huán)調(diào)節(jié)控制帶來的紋波直接在調(diào)節(jié)器參數(shù)上做改進(jìn)，也較容易實(shí)現(xiàn)。

與開關(guān)工作相同高頻的高頻紋波出現(xiàn)在使用功率器件對(duì)輸入直流電壓進(jìn)行高頻開關(guān)變換、整流濾波再實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出時(shí)，主要與開關(guān)電源的變換頻率、輸出濾波器的結(jié)構(gòu)以及參數(shù)相關(guān)。想要抑制也是從開關(guān)電源的變換頻率、輸出濾波器的結(jié)構(gòu)以及參數(shù)入手。加大輸出高頻濾波或者采用多級(jí)濾波都能更好地抑制紋波，從開關(guān)電源工作頻率入手則可以通過提高開關(guān)電源工作頻率來提高紋波頻率以減小電感內(nèi)的電流波動(dòng)。

寄生電容寄生電感存在的地方很多，功率器件和變壓器間存在的寄生電容，導(dǎo)線存在的寄生電感，因寄生而引起的共模紋波噪聲需要采用專門設(shè)計(jì)的EMI濾波器來消除(抑制)，選擇反向恢復(fù)性能更好的二極管也是很有用的辦法。

功率器件在開關(guān)過程中產(chǎn)生的超高頻諧振噪聲較為復(fù)雜，不僅與結(jié)電容相關(guān)，和變壓器漏感，開關(guān)電源的分布參數(shù)等等息息相關(guān)。合理的PCB布局在任何時(shí)候都是能給予整個(gè)電路系統(tǒng)更高穩(wěn)定性的，在解決此類紋波時(shí)這是很重要的原則。

減少分布電容是抑制超高頻諧振噪聲一大方向，具體到方法可以通過采用帶屏蔽的襯底減小開關(guān)管與散熱之間的分布電容，或者通過改進(jìn)繞制工藝和結(jié)構(gòu)盡可能減小繞組間的分布電容。二極管和開關(guān)管的選擇也非常重要，開關(guān)管的結(jié)電容會(huì)直接影響到噪聲等級(jí)，二極管最好選用軟恢復(fù)特性的，這樣能盡可能減少超高頻諧振噪聲。

另外，溫度變化會(huì)使得器件的參數(shù)發(fā)生變化，從而影響紋波，這也需要注意。

開關(guān)電源的EMI損害

EMI在任何電子系統(tǒng)中都會(huì)存在，在開關(guān)電源中，三極管和二極管在開關(guān)過程中，上升下降時(shí)間內(nèi)電流變化很大，很容易產(chǎn)生射頻能量形成干擾源。在開關(guān)管、二極管、高頻變壓器等元件上，干擾源都是極容易產(chǎn)生，而且開關(guān)電源的EMI信號(hào)占有很寬的頻率范圍，并且具有一定的幅度。

我們總會(huì)盡可能去抑制EMI，用于抑制EMI的技術(shù)也不在少數(shù)，在開關(guān)電源上常用于EMI控制的濾波技術(shù)、屏蔽技術(shù)、密封技術(shù)、接地技術(shù)都是比較常見的。在開關(guān)管和二極管開斷過程中，由于存在變壓器漏感和線路電感，很容易產(chǎn)生尖峰電壓，通常這種情況下會(huì)采取的辦法是使用RC/RCD吸收回路，吸收回路會(huì)明顯改善開關(guān)波形。

減小功率開關(guān)管通斷時(shí)的du/dt是抑制開關(guān)電源干擾很重要的部分。在開關(guān)電路基礎(chǔ)上增加一個(gè)小電感、電容這些諧振元件就能構(gòu)成軟開關(guān)電路。軟開關(guān)電路在開關(guān)過程前后引入了諧振，能消除電壓電流重疊的現(xiàn)象，大大降低開關(guān)損耗和干擾。

小結(jié)

在開關(guān)電源設(shè)計(jì)上，紋波和EMI都是對(duì)電路產(chǎn)生不良影響的重要因素。而且二者來源極多，分布極廣，如何對(duì)二者進(jìn)行有效抑制是提高開關(guān)電源穩(wěn)定性和效率的關(guān)鍵。