【導(dǎo)讀】在應(yīng)用電源模塊常見的問題中,降低負載端的紋波噪聲是大多數(shù)用戶都關(guān)心的。下文結(jié)合紋波噪聲的波形、測試方式,從電源設(shè)計及外圍電路的角度出發(fā),闡述幾種有效降低輸出紋波噪聲的方法。
紋波噪聲的測試方法
對于中小微功率模塊電源的紋波噪聲測試,業(yè)內(nèi)主要采用平行線測試法和靠接法兩種。其中,平行線測試法用于引腳間距相對較大的產(chǎn)品,靠測法用于模塊引腳間距小的產(chǎn)品。但不管用平行線測試法還是靠測法,都需要限制示波器的帶寬為20MHz。
具體如圖1和圖2所示。
圖1 平行線測試法
注1:C1為高頻電容,容量為1μF;C2為鉭電容,容量為10μF。
注2:兩平行銅箔帶之間的距離為2.5mm,兩平行銅箔帶的電壓降之和應(yīng)小于輸出電壓的2%。
圖2 靠接測試法
去除地線夾測試的區(qū)別
測試紋波噪聲需要把地線夾去掉,主要是由于示波器的地線夾會吸收各種高頻噪聲,不能真實反映電源的輸出紋波噪聲,影響測量結(jié)果。下面的圖3和圖4分別展示了對同一個產(chǎn)品,使用地線夾及取下地線夾測試的巨大差異。
圖3 使用地線夾測試-示波器垂直分辨率200mv/div
圖4 去除地線夾測試-示波器垂直分辨率50mv/div
輸出濾波電容的影響
輸出濾波電容的容值、ESR對模塊輸出的紋波噪聲也有直接影響。對比同一個產(chǎn)品在外圍是否增加電容對紋波噪聲影響。不加外接電容時,測試輸出的紋波噪聲,如圖5所示,約為100mV。同樣的輸入、負載條件下,電源的輸出端加226的MLCC,實測電源輸出的紋波噪聲降到不到40mV。
圖5 無外接電容
圖6 外加226電容
實際應(yīng)用時,電容除容量、ESR外,建議負載端的電容在回到電源之前,先匯集到輸出電容,經(jīng)過電容濾波后,再回到電源,從而有效降低紋波噪聲對電路的影響。
電感對紋波噪聲的影響
電感的感量及寄生電容對紋波噪聲的影響同樣顯著。一般地,感量大時對紋波抑制作用明顯,寄生電容小的電感對噪聲抑制效果好。以對紋波抑制為例,測試對電源輸出紋波的影響,我們先人為的把產(chǎn)品內(nèi)部的濾波電感短路,只用電容濾波,測得紋波噪聲如圖7所示,紋波峰峰值約50mV。
圖7 人為短路內(nèi)部濾波電感的紋波噪聲圖
下一步,在電源外部增加一個LC電路,在相同輸入、負載條件下,重測紋波噪聲圖,如圖8所示,紋波已接近直線,非常小。
圖8 外加LC的紋波噪聲圖
非紋波的震蕩處理
前面介紹了紋波是與開關(guān)電源的工作頻率相關(guān),但是還有另外一種震蕩是與負載的工作頻率相關(guān)的,如圖9所示。
圖9 負載工作周期大約1.1s
DC-DC電源模塊給MCU、晶振、WiFi模塊、4G/5G模塊等電路同時供電,WIFI模塊會繼續(xù)周期性的掃描,掃描開啟時,電源模塊電流會增加,使得模塊輸出電壓瞬間會有一個下降;同理掃描關(guān)斷時,模塊輸出電壓會上升突變。
這種模塊輸出電壓的突變,并不是產(chǎn)品本身的紋波噪聲,而是由于負載電流的突變,釋放了電容電壓。減小這類紋波的最好辦法,是在負載前端增加π濾波器或大電容。
在4G/5G模塊正常工作時會有2~3A的瞬態(tài)負載電流,可以在4G/5G模塊前端增加大電容減小供電電壓的紋波。
選擇產(chǎn)品型號時,可以特別關(guān)注產(chǎn)品的瞬態(tài)性能。如下圖所示,E-UHBCS-6W、E-UHBDD-6W、E-UHBDD-10W、E-UHBD-20W系列產(chǎn)品的瞬態(tài)性能指標。負載50%~75%階躍變化時,輸出電壓波動為±5%,可以通過增加輸出濾波電容,減小輸出電壓的波動。
圖10 瞬態(tài)性能指標
E-UHBCS-6W、E-UHBDD-6W、E-UHBDD-10W、E-UHBD-20W系列產(chǎn)品輸出紋波噪聲的典型值為50mV,輸出電壓小,輸出紋波值也越小。
小結(jié)
以上簡單從紋波噪聲的圖例、測試方法開始,描述從電源設(shè)計、外部電路應(yīng)用出發(fā),結(jié)合實際測試比較幾種降低紋波噪聲的方法。實際的工程應(yīng)用中還需考慮電容、電感的負載效應(yīng)、自激影響等,需再做深究。
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