
开关电源如何降低纹波和改善动态响应
开关电源如何降低纹波?
1、加大电感值和输出电容值
根据开关电源的公式,电感内电流波动大小和电感值成反比,输出纹波电压和输出电容值成反比,如下式,可以得出结论,加大电感值和输出电容值可以减小纹波。
Vripple=Imax/(Co×f)
通常的做法,对于输出电容,使用铝电解电容以达到大容量的目的。但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好,而且ESR也比较大,所以会在它旁边并联一个陶瓷电容,来弥补铝电解电容的不足。同时,开关电源工作时,输入端的电压Vin不变,但是电流是随开关变化的。这时当开关断开时,输入电源不会很好地提供电流,通常在靠近电流输入端(以Buck型为例,是Switch附近),并联电容来提供电流。
上面这种做法对减小纹波的作用是有限的。电感的话,因为体积限制,电感不会做的很大;电容的话,输出电容增加到一定程度,对减小纹波就没有明显的效果了;增加开关频率的话,又会增加开关损耗。所以在要求比较严格的场合,这种方法并不是很好。
2、二级滤波——再加一级LC滤波器
LC滤波器对噪声纹波的抑制作用比较明显,根据要去除的纹波频率选择合适的电感电容构成滤波电路,一般能够很好的减小纹波。选用这种方法滤除纹波,又会面临两种选择:
采样点选在LC滤波器之前,输出电压会降低。因为任何电感都有一个直流电阻,当有电流输出时,在电感上会有压降产生,导致电源的输出电压降低,而且这个压降是随输出电流变化的。
采样点选在LC滤波器之后,这样输出电压就是我们所希望得到的电压。但是这样在电源系统内部引入了一个电感和一个电容,有可能会导致系统不稳定。关于电源系统稳定,可以查阅更多资料。
3、开关电源输出之后,接LDO滤波
这是减少纹波和噪声最有效的办法,优势很明显,输出电压恒定,不需要改变原有的反馈系统,但也是成本最高,功耗最高的办法。 任何一款LDO都有一项指标——噪音抑制比,是一条频率—幅度(dB)曲线,这也是选择LDO产品的依据。
对减小纹波,开关电源的PCB布线也非常关键,这是个很赫手的问题,对于高频噪声,由于频率高幅值较大,后级滤波虽然有一定作用,但效果不明显,简单的做法是在二极管上并电容C或RC,或串联电感。
4、在二极管上并联电容或RC支路
二极管高速导通、截止时,要考虑寄生参数。在二极管反向恢复期间,等效电感和等效电容成为一个LC振荡器,产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡,需在二极管两端并联电容C或RC缓冲网络。电阻一般取10Ω-100 Ω,电容取4.7pF-2.2nF。在二极管上并联的电容或者RC,其取值要经过反复试验才能确定。如果选用不当,反而会造成更严重的振荡。对高频噪声要求严格的话,可以采用软开关技术。
5、二极管后接电感
这也是常用的抑制高频噪声的方法。针对产生噪声的频率,选择合适的电感元件,同样能够有效地抑制噪声。需要注意的是,电感的额定电流要满足实际的要求。
如何改善开关电源的动态响应?
1、适当改善反馈响应速率
如适当减小431上RC电路中的电容量、增加光耦电流、减小电流检测PIN脚上RC电路中的电容值,但需注意噪声、重载开机问题;另外,这一方案也受制于实际设计方案的选择:
PWM方式受最大占空比的限制(Flyback:约0.8,单端正激0.5,其他如Push-pull、Half-bridge,Full-bridge等为0.8,Boost为0.9等),因此设计初期最大占空比的选择就应当保留一定的余量;
PFM方式也受制于工作频率限制,以免产生噪声或EMI的问题。
在容许的情况下(较低的电容电压),尽可能让占空比或开关频率在动态情形下逐步增大,以避免如电流应力加大等问题;
2、适当降低输出储能电感的感量
电感中的电流不能突变,这是影响输出动态响应的关键,尤其在CCM(连续导通)模式的时候,因此,适当降低感量可以改善动态响应,但需要考虑轻载时的反馈稳定性问题(CCM转变成DCM会造成系统不稳定)。
3、增加电容容量或数量
电容的电流可以突变,因此,如果Layout空间允许的话,可以考虑适当考虑增加电容容量或数量来改善。通常采用大容量电解电容,这些电解电容能够在最初负载瞬态变化通过时对负载提供支持。
4、采用多个变换器并联方案
成本会较高,这在电流变化速率要求较高的场合(如CPU供电的3~6相V-core电路)会用到。
5、增加开关频率
以更快的速度传递能量,但需考虑元器件的频率特性、EMC及效率等问题。
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