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作者： Yuan Tan
醫(yī)療設(shè)備、測試測量儀器等很多應(yīng)用對電源的紋波和噪聲極其敏感。 理解輸出電壓紋波和噪聲的產(chǎn)生機(jī)制以及測量技術(shù)是優(yōu)化改進(jìn)電路性能的基礎(chǔ)。
第一部分：輸出電壓紋波
以Buck電路為例，由于寄生參數(shù)的影響，實(shí)際Buck電路的輸出電壓并非是穩(wěn)定干凈的直流電壓，而是在直流電壓上疊加了輸出電壓紋波和噪聲，如圖1所示。
圖1. Buck 輸出電壓紋波和噪聲
實(shí)際輸出電壓紋波由電感電流與輸出阻抗決定，由三部分組成，如圖2 所示。
電感電流紋波通過輸出電容的寄生電阻ESR形成的壓降
輸出電容的充放電
寄生電感引起的電壓突變
圖2. 輸出電壓紋波的組成
不同類型的輸出電容，寄生參數(shù)的大小不同，三部分紋波所占的比例也有所不同。因此，使用不同類型的輸出電容會(huì)得到不同波形的電壓紋波。如圖3所示，電解電容的ESR較大，紋波由ESR主導(dǎo)，波形與電感電流紋波形狀類似。陶瓷電容的ESR和ESL都很小，主要由電容的充放電主導(dǎo)，紋波類似電容的充放電曲線。OSCON電容三者的影響都體現(xiàn)在紋波中。
圖3. 不同類型輸出電容的電壓紋波
第二部分：輸出電壓紋波的測量
在測量輸出電壓紋波時(shí)，要注意如下幾點(diǎn)，正確方式如圖4所示。
保證接地環(huán)路盡可能小，建議使用接地環(huán)
探頭應(yīng)靠近電容兩側(cè)
避免同時(shí)使用示波器其他通道測試其他點(diǎn)位的波形
如果只關(guān)注開關(guān)頻率分量紋波，建議打開示波器帶寬限制
如圖5所示，左側(cè)波形同時(shí)測量開關(guān)節(jié)點(diǎn)和輸出電壓紋波，帶寬限制關(guān)閉。可以看到，輸出電壓紋波中的噪聲較大，影響紋波的測量。
圖4. 輸出電壓紋波測試方式
圖5. 輸出電壓紋波測試對比
第三部分：輸出電壓紋波的抑制
由以上分析可知，輸出電壓紋波由電感紋波電流和輸出電容阻抗決定（式1）。
因此，要降低輸出電壓紋波可以通過降低電感電流紋波或者降低輸出電容阻抗。 當(dāng)輸入輸出電壓和負(fù)載一定時(shí)，電感電流的紋波跟開關(guān)頻率和電感量成反比。增加電感量或者開關(guān)頻率可以有效降低輸出電壓的紋波，但開關(guān)頻率和電感往往受到電路效率和體積等的限制。
當(dāng)開關(guān)頻率和電感值一定時(shí)， 抑制紋波電壓最有效的方式是減小輸出電容在開關(guān)頻率處的輸出阻抗。在實(shí)際應(yīng)用場景中，通常會(huì)并聯(lián)多種不同的輸出電容來獲得足夠的容量并降低輸出電壓紋波，如圖6所示。由式(2)-(5)可以計(jì)算得到輸出電容的總阻抗以及等效的電阻和電容。若已知Buck電路的開關(guān)頻率，通過式(3)可得到開關(guān)頻率處的阻抗，也就可以得到輸出電壓紋波。但是，當(dāng)輸出電容數(shù)量較多時(shí)，計(jì)算會(huì)變得很復(fù)雜。簡單有效的方式可以借助Excel 工具，如圖6所示。
圖6. 多個(gè)輸出電容并聯(lián)
圖7. 輸出電壓紋波計(jì)算工具
若選擇合適的電容仍然無法滿足紋波的要求，可以增加第二級LC 濾波器來進(jìn)一步降低輸出電壓紋波， 如圖8所示。
圖8. Buck 電路第二級LC濾波器
第二級LC濾波器提供額外的增益衰減，但同時(shí)高品質(zhì)因素Q值也會(huì)導(dǎo)致相位裕度降低，甚至導(dǎo)致環(huán)路穩(wěn)定性問題，如圖9所示。為保證環(huán)路穩(wěn)定，可以在L2兩端增加damp電阻，降低Q值。圖10以TI電源模塊LMZ23601為例 (Vin = 24V, Vout = 5V, Fsw = 750kHz, Iout = 1A)，在輸出端增加160nH 電感, 3X22uF 電容, 250m? damp電阻，輸出電壓紋波<1mV。
圖9. Buck兩級濾波波特圖
圖10. LMZM23601 兩級濾波
圖11. LMZ23601 兩級濾波輸出電壓紋波
綜上所述，理解輸出電壓紋波的形成原理，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求，針對性地優(yōu)化電感值、開關(guān)頻率以及輸出電容，可有效降低輸出電壓紋波，滿足應(yīng)用需求。
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