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實用(yòng)筆記 | 穩定電源轉換的(de)紋波降低技術

本文要點

紋波在電源上表現為雜訊。

要想提供穩定的(de)電源,需要降低輸出電壓的(de)紋波。

降低紋波的(de)技術包括濾波和(hé)回饋精確調節。

所有的(de)電源都具有一定程度的(de)波紋,在裝置輸出口上表現為雜訊。尤其是在開關 DC-DC 轉換器的(de)輸出上,紋波是一個煩人(rén)的(de)雜訊問題。在一些應用(yòng)中,特別是接收直流電源電壓的(de)模擬元件,需要有非常「乾淨」的(de)電源,否則雜訊可(kě)能會傳播到元件的(de)輸出端。相比之下(xià),飽和(hé)邏輯 (例如 TTL 和(hé) CMOS) 抵抗此類雜訊的(de)能力更強。

採用(yòng)開關調節的(de) DC-DC 轉換器至少需要實施一種紋波降低技術,但該技術需要與適當的(de)開關頻率、功率輸出和(hé)負載工作頻率相匹配。負載阻抗也(yě)會對確定開關轉換器的(de)行為和(hé)實施的(de)紋波降低技術的(de)有效性有影(yǐng)響。本文將簡要介紹幾種紋波降低技術,以及它們在新型電源設計中的(de)最佳應用(yòng)場合。

紋波降低技術:簡易版與進階版

紋波降低技術可(kě)以透過無源電路或有源電路,以及線性或非線性器件來實施。實施主動控制策略的(de)一些演算(suàn)法試圖補償DC-DC 轉換器輸出的(de)波紋,其過程可(kě)能有點複雜,最好利用(yòng)專用(yòng)的(de) ASIC 來實施。

利用(yòng) LDO 進行調節

這種策略是一種入門級的(de)紋波降低技術,適用(yòng)於使用(yòng)直流電源的(de)器件。許多(duō)數位元件包含一個用(yòng)於降低紋波的(de)片上低壓差 (LDO) 線性穩壓器,提供的(de)紋波降低效果可(kě)以達到 80dB 左右,這意味著紋波可(kě)以降低 1 億倍!這類設計的(de)原理(lǐ)是在元件中使用(yòng)一個比較器和(hé)一個穩定的(de)矽帶隙參考電壓源,使輸出電壓飽和(hé)。然而,該方法是透過飽和(hé)來降低雜訊,因此當輸入電壓差和(hé)輸出功率過高(gāo)時,零件會產生大(dà)量的(de)熱量。

線性穩壓器可(kě)以大(dà)幅降低紋波

濾波

用(yòng)低通(tōng)濾波器或陷波濾波器進行過濾,是解決紋波頻率問題的(de)一種策略。這種方法在直流穩壓器中效果較好,特別是在實施濾波的(de)時候。在 pi型 (LC 電路) 中實現的(de)簡單高(gāo)階無源濾波,可(kě)以在傳遞函數中提供很高(gāo)的(de)滾降係數,但需要非常大(dà)的(de)電感和(hé)電容來濾除典型的(de) PWM 頻率。一個更複雜的(de)策略是使用(yòng)有源濾波技術,將電抗添加到回饋環路中,這種方法可(kě)以提供非常高(gāo)的(de)直流增益並抑制交流輸出。

回饋控制

反饋迴路隱含在一些高(gāo)度整合的(de)開關穩壓器零件中,特別是那些在同一封裝中實現 PWM 振盪器、柵極驅動器和(hé) FET 級的(de)零件。對於在非常高(gāo)的(de)功率輸出下(xià)運行的(de)更先進的(de)設計,需要一組分(fēn)立器件來實現反饋迴路的(de)控制策略。一旦輸出上的(de)波紋可(kě)以與直流輸出一起被感知到,能夠調整 PWM 驅動訊號和(hé)驅動頻率的(de)控制策略可(kě)以同時穩定輸出水(shuǐ)準和(hé)波紋。電源系統設計師們對這個領域進行了(le)積極的(de)研究。

較大(dà)的(de)電感器和(hé)較高(gāo)的(de) PWM 頻率

這兩種方法應該同時提及,因為它們是用(yòng)於設置開關穩壓器中初始紋波值的(de)標準工具 (在標準降壓、升壓和(hé)降壓-升壓設計中)。紋波水(shuǐ)準與輸出電感和(hé) PWM 頻率成反比,因此增加這兩者將降低輸出口上測得(de)的(de)紋波。

在較低的(de)開關頻率下(xià),需要使用(yòng)大(dà)型電感器才能達到目標紋波值

多(duō)相調節

多(duō)相轉換器實現了(le)多(duō)個並聯的(de)開關級,但在相位上是彼此分(fēn)開的(de)。雖然這些電路可(kě)能要複雜得(de)多(duō),但它們的(de)作用(yòng)類似於單級穩壓器,具有更大(dà)的(de)開關頻率和(hé)電感器。其結果是大(dà)大(dà)降低了(le)輸出端測得(de)的(de)紋波。隻要輸出過濾級的(de)截止頻率高(gāo)於基帶頻率,這些穩壓器就可(kě)以用(yòng)於直流負載或調頻信號的(de)高(gāo)頻交流負載。這些轉換器還可(kě)以提供高(gāo)電流,同時不會對器件造成過大(dà)的(de)壓力,因為開關負載被分(fēn)散到多(duō)個開關級上。

紋波降低技術總結

下(xià)表說明(míng)了(le)各種紋波降低技術在哪種情況下(xià)適合用(yòng)於開關式 DC-DC 轉換器。設計師應該注意使用(yòng)各個方法來實現紋波降低,因為如果在錯誤的(de)情況下(xià)使用(yòng),相應的(de)機制可(kě)能會失效。

紋波頻率 電源輸出 負載工作頻率

低壓差 (LDO)

低到中 (100 kHz 到 1 MHz)

非常低 (不到數 W)

最適合直流電路

低通(tōng)濾波

低 (約 100 kHz)

任意

最適合直流電路

陷波濾波

單頻

任意

最適合直流電路

多(duō)相調節

高(gāo) (約 10 MHz)

高(gāo)

適用(yòng)於高(gāo) GHz

回饋控制

中到高(gāo) (1 到 10 MHz)

高(gāo)

最適合直流電路

較大(dà)的(de)電感器

最高(gāo)可(kě)達電感器 EPC 的(de)上限

取決於額定電流

最高(gāo)可(kě)達電感器 EPC 的(de)上限

較高(gāo)的(de) PWM 頻率

任意

任意

最適合直流電路

最後要考慮的(de)一點是,這些方法在新的(de)設計中往往是一起實行的(de)。例如,用(yòng)於射頻電源系統和(hé)大(dà)功率射頻發射器的(de)降壓轉換器可(kě)以使用(yòng)高(gāo)階低通(tōng)濾波、多(duō)相調節和(hé)高(gāo) PWM 頻率 (幾 MHz 或更高(gāo)),並在反饋回路中採用(yòng)無源或有源控制方法。選擇正確的(de)技術組合需要考慮各個因素,從負載的(de)行為到轉換器級的(de)操作。要評估這些設計,可(kě)以從帶有高(gāo)精度器件模型的(de) SPICE 模擬開始入手。

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譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)

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