DC/DC电源电路具有功耗低,功率高的优点,但同时由于DC/DC电路转换通过开关方式完成,造成不可避免的噪声引入,具体为电源电路的纹波和噪声。
1.
开关电源(包括AC/DC转换器、DC/DC转换器、AC/DC模块和DC/DC模块)与线性电源相比较,最突出的优点是转换效率高,一般可达80%~85%,高的可达90%~97%;
其次,开关电源采用高频变压器替代了笨重的工频变压器,不仅重量减轻,体积也减小了,因此应用范围越来越广。
但开关电源的缺点是由于其开关管工作于高频开关状态,输出的纹波和噪声电压较大,一般为输出电压的1%左右(低的为输出电压的0.5%左右),最好产品的纹波和噪声电压也有几十mV;
而线性电源的调整管工作于线性状态,无纹波电压,输出的噪声电压也较小,其单位是μV。
2. 纹波和噪声
噪声:
定义:
纹波(Ripple):是指电源输出中由于电压的周期性变化而引起的波动。通常用来描述电源输出波形中的周期性变化,特别是在直流电源中,输出电压不是完全平稳的,存在一定的周期性波动。
电源波动中的低频成分,一般低于5MHz,产生原因为MOSFET的开关动作。
噪声(Noise):是非期望的、随机的电信号,包含了在系统中引入的各种干扰和随机变化。噪声可以是来自电子元件、电路、外部环境等的不稳定性引起的。
电源波动中的高频成分,一般高于5MHz,且成分较复杂,一般包括MOSFET的开关噪声、白噪声,以及周围信号的干扰等。
产生原因:
纹波:主要由于电源设计、开关操作、电感电容元件等因素引起的电压波动。
噪声:可以来自于电子元件的内部热噪声、环境干扰、电磁干扰等多种因素。
周期性:
纹波:具有明显的周期性,是在电源输出中出现的规律性波动。
噪声:通常是无规律的、随机的,不一定具有明显的周期性。
共同点:
纹波和噪声都可以影响电子系统的性能,尤其是对于一些对电压稳定性要求较高的应用,如精密仪器、通信系统等。
影响因素:
在某些情况下,电源的纹波可能被认为是一种特殊形式的噪声,尤其是当纹波的频率较高时。在这种情况下,纹波也可以被视为是噪声的一部分。
低频纹波是与输出电路的滤波电容容量相关。由于开关电源体积的限制,电解电容的容量不可能无限制地增加,导致输出低频纹波的残留,该输出纹波频率随整流电路方式的不同而不同。
对于纹波和噪声的消除方法,常见的有吸收式滤波和反射式滤波:
吸收式滤波:吸收式滤波有电容和电容电路构成,可以将噪声彻底消除。 反射式滤波:由π,T或L或LC滤波电路组成,其原理是使直流信号无衰减的通过滤波电路,而频率较高的纹波和噪声则被返回至源端。利用了滤波电路的阻抗失配达成滤波效果。其特点是滤波电路并不能将噪声完全消除,干扰仍然存在于电路中。根据源端阻抗和负载端阻抗的不同,有以下四种反射式滤波电路可供选择。DC/DC电路中常用1和3.
由于LC滤波电路的滤波原理是反射,干扰仍会存在于电路中,因此为避免这些干扰对其他电路的影响,需要采取其他一些措施:
增加滤波电容。单纯的电容和磁珠都具有将噪声完全滤除噪声的作用。
如上图所示,为减小输入端电源电路的干扰对电源电路的影响,需在A处放置电源滤波电路,其效果是将干扰反射回3.3V电源平面,而为避免反射的这些干扰对其他3.3V器件的影响,要在B处放置若干滤波电容。
将磁珠串联在LC滤波电路上,利用磁珠吸收电源干扰。如下图所示
这样既发挥了LC滤波电路的反射功能,又充分利用了磁珠对纹波和噪声等干扰的吸收功能。
4. 如果要求更加严格,还可以加一级LDO
在开关电源或模块电源输出后再加一个低压差线性稳压器(LDO)能大幅度地降低输出噪声,以满足对噪声特别有要求的电路需要,输出噪声可达μV级。
由于LDO的压差(输入与输出电压的差值)仅几百mV,则在开关电源的输出略高于LDO几百mV就可以输出标准电压了,并且其损耗也不大。
5. 总结
电源纹波噪声是电源输出中由于电源电压的周期性变化而引起的波动。这种波动可以影响与电源相连的电子系统的性能,因此需要在电源设计中予以注意。
电源纹波产生原因:
电源本身的不稳定性:电源的设计和制造中存在一定的不完美,例如电源的输出电压可能会因负载变化、温度波动或器件参数的变化而发生变化,从而导致纹波。
开关电源的开关操作:在开关电源中,开关器件的切换过程会引入纹波,尤其是在负载变化较大的情况下。
电感和电容元件的不理想性:电感和电容元件本身存在内部电阻和电导,这些参数可能导致输出电压的纹波。
电源输入电压的波动:如果电源的输入电压存在波动,这也可能在输出中引入纹波。
解决方法:
电源滤波器:在电源输出端使用滤波器,如LC滤波器,以抑制高频纹波。滤波器中的电感和电容组合可以减小输出中的高频噪声。
稳压器的使用:稳压器(Voltage Regulator)可以有效地抑制电源输出中的波动。线性稳压器和开关稳压器是常用的稳压器类型,它们能够提供稳定的输出电压,减小纹波。
电容去耦:在电源输出端并行连接适当容值的去耦电容,以平滑输出电压。这有助于提供额外的电流,特别是在负载瞬变时。
选择低纹波电源:一些电源本身设计得较为稳定,可以选择具有低纹波输出的电源模块。
电源输入端滤波:使用输入端的滤波器来减小输入电压的波动对输出的影响。
良好的PCB布局:在电路板设计中,合理的布局和连接方式可以减小电源回路的电感和阻抗,有助于降低纹波。
电源的负载平衡:在设计中确保负载均匀分布,以减小电源在负载变化时产生的纹波。
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