降低電源紋波噪聲的方法與實(shí)例

在應(yīng)用電源模塊常見(jiàn)的問(wèn)題中，降低負(fù)載端的紋波噪聲是大多數(shù)用戶都關(guān)心的。下文結(jié)合紋波噪聲的波形、測(cè)試方式，從電源設(shè)計(jì)及外圍電路的角度出發(fā)，闡述幾種有效降低輸出紋波噪聲的方法。

紋波噪聲的測(cè)試方法

對(duì)于中小微功率模塊電源的紋波噪聲測(cè)試，業(yè)內(nèi)主要采用平行線測(cè)試法和靠接法兩種。其中，平行線測(cè)試法用于引腳間距相對(duì)較大的產(chǎn)品，靠測(cè)法用于模塊引腳間距小的產(chǎn)品。但不管用平行線測(cè)試法還是靠測(cè)法，都需要限制示波器的帶寬為20MHz。

具體如圖1和圖2所示。

圖1 平行線測(cè)試法

注1：C1為高頻電容，容量為1μF；C2為鉭電容，容量為10μF。

注2：兩平行銅箔帶之間的距離為2.5mm，兩平行銅箔帶的電壓降之和應(yīng)小于輸出電壓的2%。

圖2 靠接測(cè)試法

去除地線夾測(cè)試的區(qū)別

測(cè)試紋波噪聲需要把地線夾去掉，主要是由于示波器的地線夾會(huì)吸收各種高頻噪聲，不能真實(shí)反映電源的輸出紋波噪聲，影響測(cè)量結(jié)果。下面的圖3和圖4分別展示了對(duì)同一個(gè)產(chǎn)品，使用地線夾及取下地線夾測(cè)試的巨大差異。

圖3 使用地線夾測(cè)試-示波器垂直分辨率200mv/div

圖4 去除地線夾測(cè)試-示波器垂直分辨率50mv/div

輸出濾波電容的影響

輸出濾波電容的容值、ESR對(duì)模塊輸出的紋波噪聲也有直接影響。對(duì)比同一個(gè)產(chǎn)品在外圍是否增加電容對(duì)紋波噪聲影響。不加外接電容時(shí)，測(cè)試輸出的紋波噪聲，如圖5所示，約為100mV。同樣的輸入、負(fù)載條件下，電源的輸出端加226的MLCC，實(shí)測(cè)電源輸出的紋波噪聲降到不到40mV。

圖5 無(wú)外接電容

圖6 外加226電容

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，電容除容量、ESR外，建議負(fù)載端的電容在回到電源之前，先匯集到輸出電容，經(jīng)過(guò)電容濾波后，再回到電源，從而有效降低紋波噪聲對(duì)電路的影響。

電感對(duì)紋波噪聲的影響

電感的感量及寄生電容對(duì)紋波噪聲的影響同樣顯著。一般地，感量大時(shí)對(duì)紋波抑制作用明顯，寄生電容小的電感對(duì)噪聲抑制效果好。以對(duì)紋波抑制為例，測(cè)試對(duì)電源輸出紋波的影響，我們先人為的把產(chǎn)品內(nèi)部的濾波電感短路，只用電容濾波，測(cè)得紋波噪聲如圖7所示，紋波峰峰值約50mV。

圖7 人為短路內(nèi)部濾波電感的紋波噪聲圖

下一步，在電源外部增加一個(gè)LC電路，在相同輸入、負(fù)載條件下，重測(cè)紋波噪聲圖，如圖8所示，紋波已接近直線，非常小。

圖8 外加LC的紋波噪聲圖

非紋波的震蕩處理

前面介紹了紋波是與開(kāi)關(guān)電源的工作頻率相關(guān)，但是還有另外一種震蕩是與負(fù)載的工作頻率相關(guān)的，如圖9所示。

圖9 負(fù)載工作周期大約1.1s

DC-DC電源模塊給MCU、晶振、WiFi模塊、4G/5G模塊等電路同時(shí)供電，WIFI模塊會(huì)繼續(xù)周期性的掃描，掃描開(kāi)啟時(shí)，電源模塊電流會(huì)增加，使得模塊輸出電壓瞬間會(huì)有一個(gè)下降；同理掃描關(guān)斷時(shí)，模塊輸出電壓會(huì)上升突變。

這種模塊輸出電壓的突變，并不是產(chǎn)品本身的紋波噪聲，而是由于負(fù)載電流的突變，釋放了電容電壓。減小這類紋波的最好辦法，是在負(fù)載前端增加π濾波器或大電容。

在4G/5G模塊正常工作時(shí)會(huì)有2~3A的瞬態(tài)負(fù)載電流，可以在4G/5G模塊前端增加大電容減小供電電壓的紋波。

選擇產(chǎn)品型號(hào)時(shí)，可以特別關(guān)注產(chǎn)品的瞬態(tài)性能。如下圖所示，E-UHBCS-6W、E-UHBDD-6W、E-UHBDD-10W、E-UHBD-20W系列產(chǎn)品的瞬態(tài)性能指標(biāo)。負(fù)載50%~75%階躍變化時(shí)，輸出電壓波動(dòng)為±5%，可以通過(guò)增加輸出濾波電容，減小輸出電壓的波動(dòng)。

圖10 瞬態(tài)性能指標(biāo)

E-UHBCS-6W、E-UHBDD-6W、E-UHBDD-10W、E-UHBD-20W系列產(chǎn)品輸出紋波噪聲的典型值為50mV，輸出電壓小，輸出紋波值也越小。

小結(jié)

以上簡(jiǎn)單從紋波噪聲的圖例、測(cè)試方法開(kāi)始，描述從電源設(shè)計(jì)、外部電路應(yīng)用出發(fā)，結(jié)合實(shí)際測(cè)試比較幾種降低紋波噪聲的方法。實(shí)際的工程應(yīng)用中還需考慮電容、電感的負(fù)載效應(yīng)、自激影響等，需再做深究。