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探究開關電源波紋的產生、測量與抑制

時間:2019-02-13 11:10:16來源:微信公眾號:電磁兼容EMC 作者:電子愛好者 點擊:
一、PCB布線與紋波關系布局:脈沖電壓連線盡可能短,其中輸入開關管到變壓器連線,輸出變壓器到整流管連接線。脈沖電流環路盡可能小如輸入濾波電容正到變壓器到開關管返回電

一、PCB布線與紋波關系

布局:脈沖電壓連線盡可能短,其中輸入開關管到變壓器連線,輸出變壓器到整流管連接線。脈沖電流環路盡可能小如輸入濾波電容正到變壓器到開關管返回電容負。輸出部分變壓器出端到整流管到輸出電感到輸出電容返回變壓器電路中X電容要盡量接近開關電源輸入端,輸入線應避免與其他電路平行,應避開。 Y電容應放置在機殼接地端子或FG連接端。共摸電感應與變壓器保持一定距離,以避免磁偶合。如不好處理可在共摸電感與變壓器間加一屏蔽,以上幾項對開關電源的EMC性能影響較大。

輸出電容一般可采用兩只一只靠近整流管另一只應靠近輸出端子,可影響電源輸出紋波指標,兩只小容量電容并聯效果應優于用一只大容量電容。發熱器件要和電解電容保持一定距離,以延長整機壽命,電解電容是開關電源壽命的瓶勁,如變壓器、功率管、大功率電阻要和電解保持距離,電解之間也須留出散熱空間,條件允許可將其放置在進風口。

總的講這三種手段都是增大PCB的電流承載能力,我覺得走線第一位的是縮短長度,這樣是減小板上寄生電感的最有效辦法。

如果長度定了 在綜合考慮的話,搪錫 是最可取的 :搪錫對于設計者容易實現,只要在阻焊層上開窗就行了,不用和PCB廠商最什么特殊接洽也沒有附加費用,默認的PCB防氧化工藝就是熱風整平,就是噴上錫用熱風吹一下。 搪錫的缺點是 裸露容易短路。

增加銅箔厚度的話 就需要使用特殊的板料,一般都是1oz的板材。如果需要加厚一般采用二次覆銅,二次銅皮強度低容易剝離。需要與PCB廠家說明同時可能需要增加費用。

大面積覆銅,對于電壓變化不頻繁的網絡可以,比如地線,或者穩壓輸出端,對于開關動作中電壓波動大的地方不適合大面積覆銅,這樣變化的電場回產生磁場,磁場再產生電場。對就是電磁輻射。那就是空間干擾。同樣影響性能。

二、開關電源紋波的產生

開關電源紋波的產生

我們最終的目的是要把輸出紋波降低到可以忍受的程度,達到這個目的最根本的解決方法就是要盡量避免紋波的產生,首先要清楚開關電源紋波的種類和產生原因。

上圖是開關電源中最簡單的拓撲結構-buck降壓型電源。

隨著SWITCH的開關,電感L中的電流也是在輸出電流的有效值上下波動的。所以在輸出端也會出現一個與SWITCH同頻率的紋波,一般所說的紋波就是指這個。它與輸出電容的容量和ESR有關系。這個紋波的頻率與開關電源相同,為幾十到幾百KHz。

另外,SWITCH一般選用雙極性晶體管或者MOSFET,不管是哪種,在其導通和截止的時候,都會有一個上升時間和下降時間。這時候在電路中就會出現一個與SWITCH上升下降時間的頻率相同或者奇數倍頻的噪聲,一般為幾十MHz。同樣二極管D在反向恢復瞬間,其等效電路為電阻電容和電感的串聯,會引起諧振,產生的噪聲頻率也為幾十MHz。這兩種噪聲一般叫做高頻噪聲,幅值通常要比紋波大得多。

如果是AC/DC變換器,除了上述兩種紋波(噪聲)以外,還有AC噪聲,頻率是輸入AC電源的頻率,為50~60Hz左右。還有一種共模噪聲,是由于很多開關電源的功率器件使用外殼作為散熱器,產生的等效電容導致的。

三、開關電源紋波的測量

基本要求:

使用示波器AC耦合

20MHz帶寬限制

拔掉探頭的地線

1,AC耦合是去掉疊加的直流電壓,得到準確的波形。

2,打開20MHz帶寬限制是防止高頻噪聲的干擾,防止測出錯誤的結果。因為高頻成分幅值較大,測量的時候應除去。

3,拔掉示波器探頭的接地夾,使用接地環測量,是為了減少干擾。很多部門沒有接地環,如果誤差允許也直接用探頭的接地夾測量。但在判斷是否合格時要考慮這個因素。

還有一點是要使用50Ω終端。橫河示波器的資料上介紹說,50Ω模塊是除去DC成分,精確測量AC成分。但是很少有示波器配這種專門的探頭,大多數情況是使用標配100KΩ到10MΩ的探頭測量,影響暫時不清楚。

上面是測量開關紋波時基本的注意事項。如果示波器探頭不是直接接觸輸出點,應該用雙絞線,或者50Ω同軸電纜方式測量。

在測量高頻噪聲時,使用示波器的全通帶,一般為幾百兆到GHz級別。其他與上述相同。可能不同的公司有不同的測試方法。歸根到底第一要清楚自己的測試結果。第二要得到客戶認可

關于示波器:

有些數字示波器因為干擾和存儲深度的原因,無法正確的測量出紋波。這時應更換示波器。這方面有時候雖然老的模擬示波器帶寬只有幾十兆,但表現要比數字示波器好。

四、開關電源紋波的抑制

對于開關紋波,理論上和實際上都是一定存在的。通常抑制或減少它的做法有三種:w w w . d z i u u . c o m

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