降低电源纹波噪声只需三步

时间:2018-08-08 15:18来源:ZLG致远电子

摘要:在应用电源模块常见的问题中,降低负载端的纹波噪声是大多数用户都关心的。那么模块的纹波噪声该如何降低?下文为大家从纹波噪声的波形、测试方式、模块设计及应用的角度出发,阐述几种有效降低输出纹波噪声的方法。

在应用电源模块常见的问题中,降低负载端的纹波噪声是大多数用户都关心的。那么模块的纹波噪声该如何降低?下文为大家从纹波噪声的波形、测试方式、模块设计及应用的角度出发,阐述几种有效降低输出纹波噪声的方法。

一、电源的纹波与噪声介绍
纹波和噪声即:直流电源输出上叠加的与电源开关频率同频的波动为纹波,高频杂音为噪声。具体如图1所示,频率较低且有规律的波动为纹波,尖峰部分为噪声。


 
图1
 
二、纹波噪声的测试方法
对于中小微功率模块电源的纹波噪声测试,业内主要采用平行线测试法和靠接法两种。其中,平行线测试法用于引脚间距相对较大的产品,靠测法用于模块引脚间距小的产品。

但不管用平行线测试法还是靠测法,都需要限制示波器的带宽为20MHz。具体如图2和图3所示。


 
图2 平行线测试法
 
注1:C1为高频电容,容量为1μF;C2为钽电容,容量为10μF。
注2:两平行铜箔带之间的距离为2.5mm,两平行铜箔带的电压降之和应小于输出电压的2%。


 
图3靠测法
 
三、去除地线夹测试的区别
测试纹波噪声需要把地线夹去掉,主要是由于示波器的地线夹会吸收各种高频噪声,不能真实反映电源的输出纹波噪声,影响测量结果。下面的图4和图5分别展示了对同一个产品,使用地线夹及取下地线夹测试的巨大差异。


 
图4 使用地线夹测试-示波器垂直分辨率200mv/div
 
 
图5 去除地线夹测试-示波器垂直分辨率50mv/div
 
四、设计PCB布局的影响
好与坏的PCB布局,是设计上影响纹波噪声的关键因素。差的PCB布局如图6所示,变压器输出的地,直接通过过孔连到背部的地平面,地平面连接电源的输出引脚。此布局在输出5V/2A的负载下,实测电源尖峰达1.5V VP-P。变压器上的噪声没有经过输出的滤波电容直接通过了输出引脚,导致纹波噪声很大。


 
图6 差的PCB布局
 
如图7 所示是比较好的PCB布局,调整了变压器的位置,将变压器输出地通过两个电容后,再回到地平面和输出引脚相连。实测在相同5V/2A输出的负载下,噪声已降到60mV VP-P,差别显著。

 
图7 好的PCB布局
 
五、输出滤波电容影响
输出滤波电容的容值、ESR对模块输出的纹波噪声也有直接影响。按图8所示的P0505FLS-1W测试纹波噪声。

外部不加外接电容,测试输出的纹波噪声,如图9所示,约为52mV。同样的输入、负载条件下,电源的输出端放置MLCC,实测电源输出的纹波噪声降到不到36mV。


 
图8测试用图
 
 
图9 无外接电容
 
 
图10 外加电容
 
实际应用时,电容除容量、ESR外,建议负载端的电容在回到电源之前,先汇集到输出电容,经过电容滤波后,再回到电源,从而有效降低纹波噪声对电路的影响。如图11所示。

 
图11 外部电容的位置
 
六、电感对纹波噪声的影响
电感的感量及寄生电容对纹波噪声的影响同样显著。一般地,感量大时对纹波抑制作用明显,寄生电容小的电感对噪声抑制效果好。以对纹波抑制为例,测试对电源输出纹波的影响,测试图如图12所示。


 
图12 测试电感滤波效果用例
 
根据图12,我们先人为的把产品内部的滤波电感短路,只用电容滤波,测得纹波噪声如图13所示,纹波峰峰值约50mV。

 
图13人为短路内部滤波电感的纹波噪声图
 
下一步,在电源外部增加一个LC电路,在相同输入、负载条件下,重测纹波噪声图,如图14所示,纹波已接近直线,非常小。

 
图14 外加LC的纹波噪声图
 
七、非纹波的震荡处理
前面介绍了纹波是与开关电源的工作频率相关,但是还有另外一种震荡是与负载的工作频率相关的,如图15所示。


 
图15 负载工作周期大约1.1s
 
DC-DC电源模块给MCU、晶振、WiFi模块等电路同时供电,WIFI模块会继续周期性的扫描,扫描开启时,电源模块电流会增加,使得模块输出电压瞬间会有一个下降;同理扫描关断时,模块输出电压会上升突变。

这种模块输出电压的突变,并不是产品本身的纹波噪声,而是由于负载电流的突变,释放了电容电压。减小这类纹波的最好办法,是在负载前段增加π滤波器。

以上简单从纹波噪声的图例、测试方法开始,描述从电源设计、外部电路应用出发,结合实际测试比较几种降低纹波噪声的方法。实际的工程应用中还需考虑电容、电感的负载效应、自激影响等,需再做深究。

如果在电源模块选型中,选用低纹波噪声的电源模块,可省去外围电路的搭建。致远电子自主研发、生产的隔离电源模块已有近20年的行业积累,打造自主电源IC,推出P系列全工况优选型DC-DC电源,结合合理的PCB设计以及测试规范,较传统设计,纹波噪声低至50mV,为用户打造高可靠性供电环境。并且模块满载效率高达85%,轻载效率仍高至79%,保证全工况高效供电,有效降低电源温升,最大程度保证用户产品的可靠性,是板级直流供电的理想解决方案。


 
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