降低電源紋波的理論與應用分析

【摘要】

本文以某單板在調試過程中的電源紋波過大問題，分析了開關DC/DC電源中紋波產生的原因、紋波大小的影響因素，在理論上分析了減小紋波的方法，并通過對實際電路參數的更改，降低了電源紋波值，將電源變的更加干凈。

一理論分析

在開關電源中，影響紋波的因素有很多，包括開關頻率，續流電感，濾波電容，輸入輸出電壓，電源負載，環境溫度等。這些因素中對電源紋波的影響可能是相互加強也有可能是相互削弱，需要綜合考慮各方面的因素才能將紋波值降下來。而對于常用的電源芯片，芯片廠家都會給出這些影響因素的理論分析，通過這些分析我們可以找出紋波最主要的影響因素。

通過下面的分析，可以看到紋波產生的影響因素有哪些：

在開關電源中，輸出電壓經過PWM波進行斬波后，經過電感進行續流，在這個過程中產生一個脈動電流，再經過電容濾波后對電壓進行平滑，于是脈動電流在輸出電容的ESR上產生一個紋波電壓，同時脈動電流經過輸出電容的充放電也會形成一個紋波電壓。

圖2：脈動電流與紋波電壓的關系圖

通過上圖可以看出，紋波電壓由兩部分組成，一部分是脈動電流在輸出電容ESR上產生的ΔVout-esr，另一部分是脈動電流在輸出電容充放電過程中產生的ΔVout-c。由于這兩部分紋波電壓并不完全同相，因此總的紋波電壓值要小于兩部分的代數和。那么如果要降低紋波電壓就需要從如何降低這兩部分紋波電壓入手。

在圖2中可以定性的看出紋波電壓的組成，但是這足以得出如何改變電路參數來降低紋

波電壓值，還需要定量的計算脈動電流和紋波電壓的值：

1）脈動電流峰峰值，式一：

需要注意的是，此式中的占空比D在輸出電壓低于1.2V，輸出電流大于3A的情況下，需要考慮片內MOSFET和片外電感的損耗，其計算公式近似為：

2）輸出電容ESR上產生的紋波電壓，式二：

3）輸出電容充放電產生的紋波電壓，式三：

通過上面所列出的三個公式可以得出下面的幾個結論：

1）增大開關頻率，增大續流電感可減小脈動電流；

2）在輸出電壓一定的情況下，減小輸入電壓可減小脈動電流；

3）減小輸出電容的ESR值，可減小紋波電壓；

4）增大輸出電容值可減小紋波電壓。

二實例分析

1、問題提出

在某單板中，1.0V電源采用的電源芯片為LM21305，為開關型DC/DC。單板測試時發現1.0V上的電源紋波約為12.0mV，雖然紋波的絕對值不大，且單板運行正常。但是，紋波值達到的電壓值的1.2%，為了更使單板更加穩定，試圖找出影響紋波的主要原因，并將紋波值減小。

圖1 1.0V電源上的紋波值

2、問題分析解決

先看一下單板上原有參數下的計算值：

（1）芯片開關頻率

由于芯片的開關頻率可編程，可通過電阻進行配置，其相對應的關系如下：

式中，R=110K，理論可得F=451KHz，考慮到實際電阻誤差，根據示波器測得實際開關頻率F=464KHz.

（2）脈動電流峰峰值

將F=464KHz，L=2.2μH，Vout=1.0V，Vpvin=5.0V代入式一可得：ΔiLp-p = 0.788A

（3）紋波電壓

此單板中輸出電容是鉭電容和陶瓷電容的組合，輸出電容約為240μF。

根據廠家提供的信息，鉭電容的ESR最大約為25mΩ，陶瓷電容未提供ESR值。陶瓷電容的ESR值較低，那么按照25mΩ計算可得

ΔVout-esr=19.7mV，ΔVout-c=0.88mV

由于兩部分紋波電壓不同相，因此總的紋波電壓小于20.58mV。

通過計算兩部分紋波電壓可看出，1.0V上的紋波電壓主要的影響因素是脈動電流在電容的ESR上產生的紋波電壓。那么，要降低這一部分的紋波電壓，就要改變開關頻率、輸出電容以及電感中的一個或幾個參數值。由于單板中的輸出電容是鉭電容，其ESR值已經比較小了，選用其他類型電容的優勢不明顯，另一方面，受封裝、庫存及負載電流的限制，電感值也不太好更換。相對來說，器件的開關頻率容易改變，只需改變電阻值就可。根據前面的分析，提高開關頻率可降低脈動電流的值，也就可以降低紋波電壓的值。

將開關頻率配置電阻改為56K，理論可得F=827.9KHz，考慮到實際電阻誤差，根據示波器測得實際開關頻率約為F=854KHz。同時將L=2.2μH，Vout=1.0V，Vpvin=5.0V代入式一可得：ΔiLp-p = 0.426A

同樣可計算出：ΔVout-esr=10.65mV，ΔVout-c=0.28mV

經過對比，開關頻率的提高對降低紋波電壓的效果明顯。

通過計算和測量可看出，兩者之間有一定的數據差距。這主要是計算中的數據有一些是近似值，另一方面測量的結果也有一定的誤差。但是這并不影響我們評估紋波電壓產生的主要渠道以及影響紋波電壓的主要因素，并通過實踐來評估效果。

更改開關頻率后測得的紋波電壓如下圖：