【導(dǎo)讀】醫(yī)療設(shè)備、測(cè)試測(cè)量?jī)x器等很多應(yīng)用對(duì)電源的紋波和噪聲極其敏感。 理解輸出電壓紋波和噪聲的產(chǎn)生機(jī)制以及測(cè)量技術(shù)是優(yōu)化改進(jìn)電路性能的基礎(chǔ)。
第一部分：輸出電壓紋波
以Buck電路為例，由于寄生參數(shù)的影響，實(shí)際Buck電路的輸出電壓并非是穩(wěn)定干凈的直流電壓，而是在直流電壓上疊加了輸出電壓紋波和噪聲，如圖1所示。
圖1. Buck 輸出電壓紋波和噪聲
實(shí)際輸出電壓紋波由電感電流與輸出阻抗決定，由三部分組成，如圖2 所示。
1. 電感電流紋波通過(guò)輸出電容的寄生電阻ESR形成的壓降
2. 輸出電容的充放電
3. 寄生電感引起的電壓突變
圖2. 輸出電壓紋波的組成
不同類(lèi)型的輸出電容，寄生參數(shù)的大小不同，三部分紋波所占的比例也有所不同。因此，使用不同類(lèi)型的輸出電容會(huì)得到不同波形的電壓紋波。如圖3所示，電解電容的ESR較大，紋波由ESR主導(dǎo)，波形與電感電流紋波形狀類(lèi)似。陶瓷電容的ESR和ESL都很小，主要由電容的充放電主導(dǎo)，紋波類(lèi)似電容的充放電曲線。OSCON電容三者的影響都體現(xiàn)在紋波中。
圖3. 不同類(lèi)型輸出電容的電壓紋波
第二部分：輸出電壓紋波的測(cè)量
在測(cè)量輸出電壓紋波時(shí)，要注意如下幾點(diǎn)，正確方式如圖4所示。
1. 保證接地環(huán)路盡可能小，建議使用接地環(huán)
2. 探頭應(yīng)靠近電容兩側(cè)
3. 避免同時(shí)使用示波器其他通道測(cè)試其他點(diǎn)位的波形
4. 如果只關(guān)注開(kāi)關(guān)頻率分量紋波，建議打開(kāi)示波器帶寬限制
如圖5所示，左側(cè)波形同時(shí)測(cè)量開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)和輸出電壓紋波，帶寬限制關(guān)閉?？梢钥吹?，輸出電壓紋波中的噪聲較大，影響紋波的測(cè)量。
圖4. 輸出電壓紋波測(cè)試方式
圖5. 輸出電壓紋波測(cè)試對(duì)比
第三部分：輸出電壓紋波的抑制
由以上分析可知，輸出電壓紋波由電感紋波電流和輸出電容阻抗決定（式1）。
因此，要降低輸出電壓紋波可以通過(guò)降低電感電流紋波或者降低輸出電容阻抗。 當(dāng)輸入輸出電壓和負(fù)載一定時(shí)，電感電流的紋波跟開(kāi)關(guān)頻率和電感量成反比。增加電感量或者開(kāi)關(guān)頻率可以有效降低輸出電壓的紋波，但開(kāi)關(guān)頻率和電感往往受到電路效率和體積等的限制。
當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率和電感值一定時(shí)， 抑制紋波電壓最有效的方式是減小輸出電容在開(kāi)關(guān)頻率處的輸出阻抗。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，通常會(huì)并聯(lián)多種不同的輸出電容來(lái)獲得足夠的容量并降低輸出電壓紋波，如圖6所示。由式(2)-(5)可以計(jì)算得到輸出電容的總阻抗以及等效的電阻和電容。若已知Buck電路的開(kāi)關(guān)頻率，通過(guò)式(3)可得到開(kāi)關(guān)頻率處的阻抗，也就可以得到輸出電壓紋波。但是，當(dāng)輸出電容數(shù)量較多時(shí)，計(jì)算會(huì)變得很復(fù)雜。簡(jiǎn)單有效的方式可以借助Excel 工具，如圖6所示。
圖6. 多個(gè)輸出電容并聯(lián)
圖7. 輸出電壓紋波計(jì)算工具
若選擇合適的電容仍然無(wú)法滿足紋波的要求，可以增加第二級(jí)LC 濾波器來(lái)進(jìn)一步降低輸出電壓紋波， 如圖8所示。
圖8. Buck 電路第二級(jí)LC濾波器
第二級(jí)LC濾波器提供額外的增益衰減，但同時(shí)高品質(zhì)因素Q值也會(huì)導(dǎo)致相位裕度降低，甚至導(dǎo)致環(huán)路穩(wěn)定性問(wèn)題，如圖9所示。為保證環(huán)路穩(wěn)定，可以在L2兩端增加damp電阻，降低Q值。圖10以TI電源模塊LMZ23601為例 (Vin = 24V, Vout = 5V, Fsw = 750kHz, Iout = 1A)，在輸出端增加160nH 電感, 3X22uF 電容, 250m? damp電阻，輸出電壓紋波<1mV。
圖9. Buck兩級(jí)濾波波特圖
圖10. LMZM23601 兩級(jí)濾波
圖11. LMZ23601 兩級(jí)濾波輸出電壓紋波
綜上所述，理解輸出電壓紋波的形成原理，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，針對(duì)性地優(yōu)化電感值、開(kāi)關(guān)頻率以及輸出電容，可有效降低輸出電壓紋波，滿足應(yīng)用需求。
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