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DC-DC降低纹波噪声的方法


一、背景序言:  


       伴随着各式各样电子设备的产生,21世纪俨然已经成为一个被电磁围绕的世界,由于电磁环境的愈发复杂和恶劣,使得各行各业对各类设备的纹波噪声也开始愈来越关注。本文则主要针对纹波噪声这一问题进行探究,分享减小纹波噪声的一些方法。


二、什么是纹波噪声?


       纹波的定义:纹波是指在直流电压或电流上,有规律的叠加在直流稳定量上的交流分量。也就是说现实中的电压和电流并不像我们想象中的是完全稳定完美的一条直线,而是叠加有很多的波动,并且这些波动的频率是固定的,我们把这些波动叫做纹波。


       噪声的定义:噪声是指叠加在纹波之上,非连续存在并无规律的电压或者电流尖峰。也就是说噪声指的是叠加在纹波上的杂波,并且噪声的频率并不完全固定统一,存在一定的偶然性。下面的图1很好的描述了什么是纹波噪声:



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三、纹波噪声产生的原因和危害:


       如果我们想要彻底的解决纹波和噪声,那就需要从根源上了解清楚纹波噪声产生的原因。我们以开关电源为例,通常我们在电源模块的输出端测试到的纹波噪声它的产生原因大致如下:开关器件动作时带来、输入前端带来的低频纹波、线路寄生参数及耦合带来。


       这些纹波噪声最终叠加在电源模块的输出,给各种不同的负载进行供电,也带来了一堆的问题。当电源的纹波噪声过大时,它们可能会影响运放的精度,干扰AD或者DA模块的工作,使得整机的精度大幅度下降。在一些音频及视频的系统中,甚至会因为纹波噪声过大,导致图像显示异常、音频工作故障,因此在系统的设计中,降低各个器件的纹波噪声显的尤为重要。


四、如何降低纹波噪声:


1、降低开关器件动作带来的纹波噪声:


       包含电源模块在内,很多系统都会使用三极管、MOS管、二极管、IGBT等等这些功率器件作为开关器件,实现开关变化和整流输出的功能。我们以最常规的推挽自激电路为例,以下图2为开关器件及整流器件上最为常见的波形方波:



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       理论上的方波在上升沿和下降沿的时候是90°垂直的,也就是说不需要时间的,但是实际过程中并不是这么完美的,正如我们将图片放大后所看到的,这些上升沿及下降沿都是需要时间的。这也就使得经过二极管整流后的信号波形在这些时间点因为能量不足的原因存在凹陷,后端的滤波电容需要对这些凹陷下去的信号进行填补和充电,这就是纹波的来源。


       因此理论上讲如果要从产生根源上来降低纹波则需要尽可能的缩短这一时间,以尽可能的避免整流后电压或电流的跌落。但是实际操作过程中我们会发现,当面对同一幅值的方波时,若要缩短上升沿的时间,则方波的上升斜率会加大,若回路中存在感性及容性器件时,他们上面的电流和电压是不能发生突变的,这就使得突然发生的能量变化不得不以电压或者电流尖峰的形式进行释放,这就是通常我们所接触到的噪声。也就是说如果我们要规避噪声的产生则需要尽可能的避免很大斜率的突发变化,即方波的斜率不能过大。


       因此在推挽电路中我们会发现,如果想要降低纹波,需要尽可能的减小方波的上升时间和下降时间;如果想要降低噪声,需要尽可能的拉长或者放缓方波的上升及下降时间,以避免因为变化斜率过大带来噪声问题。很明显这里所说的这两点刚好是相互冲突的,因此在降低纹波噪声的时候我们需要综合考虑这两部分。大家很清楚,噪声的后期处理往往要比纹波复杂困难的多,因此在电路设计的时候,我们优先推荐尽可能的避免大斜率的变化以规避噪声的产生,但是并不能盲目的拉缓上升时间,需要综合考虑对纹波以及开关损耗的影响。因此设计人员在实际的开发过程中,需要根据实际的电路参数及性能要求进行适当的调整,进行综合考虑。下图3为金升阳电源模块B0505S-1WR2在经过以上各方面的优化和衡量后的输出纹波,可以看出通过综合的设计调试,纹波及噪声值基本上达到了比较完美的状态:  


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2、降低输入前端的低频纹波:


       通常情况下低频的纹波相对噪声要好处理的很多,只需要增加滤波措施就可以将它们解决。一说到滤波措施,当其冲想到的就是各种类型的电容及电感滤波电路:LC、Π型等等,关于这一方面的知识有比较多的资料说明,我们不做累述,详细的可咨询我司技术支持。


       或者在一些条件允许的系统中,也可以在前端及后端增加稳压器件,来降低纹波噪声,在这种情况下该部分的纹波噪声则完全由稳压器件的性能决定。


       同时针对不同频率的纹波对应的滤波器件也会有所不同,通常电解电容用于滤除低频纹波,而陶瓷电容则对中高频滤波效果较好,因此在频率100KHz以上的开关电源后面我们建议使用陶瓷电容,这样滤波效果会更好。


3、降低线路寄生及耦合导致的纹波噪声:


       在电源模块中带来该类型的纹波噪声的通常是导线上的寄生电容电感、变压器的寄生电容电感、不同器件之间的寄生电感电容等等。这一类型的纹波噪声通常以共模的形式存在,因此降低这种类型的纹波噪声的方法除了尽可能的从设计上改善以上寄生参数外(如优化工艺设计及PCB走线等等),还可以施加共模滤波方案。如下图4的共模电容及共模电感为常规的共模滤波器件:   


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       由于目前关于该种类型的外围滤波方案在EMC相关的书籍中有比较多的资料,我们在此也不做过多的叙述,详细可咨询我司的技术人员。


五、纹波噪声的测试方法:


       除了上面所说的内容,实际上纹波噪声的测试方法也至关重要,不恰当的测试方法会使得测试失真,导致结果误判等等问题。通常在纹波噪声测试的时候我们会进行带宽的限制,这主要取决于被测模块的工作频率段。以电源模块为例,通常电源模块的工作频率都在500KHz以下,开关噪声的频率也大部分在5MHz以下,因此在测试的过程中,建议将带宽限制在20MHz内,这样才可以确保所测试到的是真实的电源产生的纹波噪声。同时在测试时,为避免示波器的供电电源的地线上会引入干扰,建议将示波器电源线上的地脚剪掉。


       常规的测试方法为平行线测试法(下图5)和靠测法,平行线测试法已经有比较多的阐述,我们不做累述。我们简单介绍下靠测法,详细的测试方法如下图6-1:     


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       相对于常规的甩线测试,靠测法主要是减小了地线环的面积,避免在测试的过程中在地线环路中耦合到干扰,影响了测试结果。主要的方法是像图中所述,将地线夹子去掉,直接使用探头上的环铜作为地使用。这样可以有效的避免外接电磁环境对测试的影响。


六、小结:


       本文主要介绍了纹波噪声的定义、产生原因、降低纹波噪声的方法以及纹波噪声的测试方法。在愈发恶劣的电磁环境下,相信这一问题也会被越来越多的工程师关注,希望对大家有所帮助。


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