【电源】降低电源纹波的实例分析与应用

2023-10-28 23:59

本文主要是介绍【电源】降低电源纹波的实例分析与应用,希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值,需要的开发者们随着小编来一起学习吧!

【摘要】

本文以某单板在调试过程中的电源纹波过大问题,分析了开关DC/DC电源中纹波产生的原因、纹波大小的影响因素,在理论上分析了减小纹波的方法,并通过对实际电路参数的更改,降低了电源纹波值,将电源变的更加干净。

一 理论分析

在开关电源中,影响纹波的因素有很多,包括开关频率,续流电感,滤波电容,输入输出电压,电源负载,环境温度等。这些因素中对电源纹波的影响可能是相互加强也有可能是相互削弱,需要综合考虑各方面的因素才能将纹波值降下来。而对于常用的电源芯片,芯片厂家都会给出这些影响因素的理论分析,通过这些分析我们可以找出纹波最主要的影响因素。通过下面的分析,可以看到纹波产生的影响因素有哪些:在开关电源中,输出电压经过PWM波进行斩波后,经过电感进行续流,在这个过程中产生一个脉动电流,再经过电容滤波后对电压进行平滑,于是脉动电流在输出电容的ESR上产生一个纹波电压,同时脉动电流经过输出电容的充放电也会形成一个纹波电压。

图1:脉动电流与纹波电压的关系图

通过上图可以看出,纹波电压由两部分组成,一部分是脉动电流在输出电容ESR上产生的ΔVout-esr,另一部分是脉动电流在输出电容充放电过程中产生的ΔVout-c。由于这两部分纹波电压并不完全同相,因此总的纹波电压值要小于两部分的代数和。那么如果要降低纹波电压就需要从如何降低这两部分纹波电压入手。在图2中可以定性的看出纹波电压的组成,但是这足以得出如何改变电路参数来降低纹波电压值,还需要定量的计算脉动电流和纹波电压的值:1)脉动电流峰峰值,式一:

需要注意的是,此式中的占空比D在输出电压低于1.2V,输出电流大于3A的情况下,需要考虑片内MOSFET和片外电感的损耗,其计算公式近似为:

2)输出电容ESR上产生的纹波电压,式二:

3)输出电容充放电产生的纹波电压,式三:

通过上面所列出的三个公式可以得出下面的几个结论:

1)增大开关频率,增大续流电感可减小脉动电流;

2)在输出电压一定的情况下,减小输入电压可减小脉动电流;

3)减小输出电容的ESR值,可减小纹波电压;

4)增大输出电容值可减小纹波电压。

二实例分析

1、问题提出

在某单板中,1.0V电源采用的电源芯片为LM21305,为开关型DC/DC。单板测试时发现1.0V上的电源纹波约为12.0mV,虽然纹波的绝对值不大,且单板运行正常。但是,纹波值达到的电压值的1.2%,为了更使单板更加稳定,试图找出影响纹波的主要原因,并将纹波值减小。

图2 1.0V电源上的纹波值

2、问题分析解决

先看一下单板上原有参数下的计算值:

(1)芯片开关频率由于芯片的开关频率可编程,可通过电阻进行配置,其相对应的关系如下:

式中,R=110K,理论可得F=451KHz,考虑到实际电阻误差,根据示波器测得实际开关频率F=464KHz.

(2)脉动电流峰峰值将F=464KHz,L=2.2μH,Vout=1.0V,Vpvin=5.0V代入式一可得:ΔiLp-p = 0.788A

(3)纹波电压此单板中输出电容是钽电容和陶瓷电容的组合,输出电容约为240μF。

根据厂家提供的信息,钽电容的ESR最大约为25mΩ,陶瓷电容未提供ESR值。陶瓷电容的ESR值较低,那么按照25mΩ计算可得ΔVout-esr=19.7mV,ΔVout-c=0.88mV由于两部分纹波电压不同相,因此总的纹波电压小于20.58mV。通过计算两部分纹波电压可看出,1.0V上的纹波电压主要的影响因素是脉动电流在电容的ESR上产生的纹波电压。那么,要降低这一部分的纹波电压,就要改变开关频率、输出电容以及电感中的一个或几个参数值。由于单板中的输出电容是钽电容,其ESR值已经比较小了,选用其他类型电容的优势不明显,另一方面,受封装、库存及负载电流的限制,电感值也不太好更换。相对来说,器件的开关频率容易改变,只需改变电阻值就可。

根据前面的分析,提高开关频率可降低脉动电流的值,也就可以降低纹波电压的值。将开关频率配置电阻改为56K,理论可得F=827.9KHz,考虑到实际电阻误差,根据示波器测得实际开关频率约为F=854KHz。同时将L=2.2μH,Vout=1.0V,Vpvin=5.0V代入式一可得:ΔiLp-p = 0.426A同样可计算出:ΔVout-esr=10.65mV,ΔVout-c=0.28mV经过对比,开关频率的提高对降低纹波电压的效果明显。通过计算和测量可看出,两者之间有一定的数据差距。这主要是计算中的数据有一些是近似值,另一方面测量的结果也有一定的误差。但是这并不影响我们评估纹波电压产生的主要渠道以及影响纹波电压的主要因素,并通过实践来评估效果。更改开关频率后测得的纹波电压如下图:

图2 更改开关频率后1.0V电源上的纹波值

三经验总结

纹波是板上电源一个很重要的参数,如何将纹波在合理的设计下降至最低是每个电源电路需要重点考虑的。虽然各种开关电源的设计参数不同,但是影响纹波的因素基本上都有开关频率,滤波电感,输出电容,那么减小纹波电压的过程其实也就是对上述几个参数进行匹配选择的过程。

1 开关频率,此值越大,可将脉冲电流值降低,也就可以减小纹波电压。但是频率越高,也就对单板产生越大的干扰,对EMI会有一定的影响。

2 电感,需要根据实际情况下的负载电流值及开关频率来选择,在合理的选择区间内选择较大的电感可降低脉动电流。

3 输出电容,需要选择低ESR和高容量的器件。并且优先选择温度特性好的电容,这样可使得温度变化大的环境下纹波值不至于过大。

这篇关于【电源】降低电源纹波的实例分析与应用的文章就介绍到这儿,希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助!



http://www.chinasem.cn/article/296849

相关文章

慢sql提前分析预警和动态sql替换-Mybatis-SQL

《慢sql提前分析预警和动态sql替换-Mybatis-SQL》为防止慢SQL问题而开发的MyBatis组件,该组件能够在开发、测试阶段自动分析SQL语句,并在出现慢SQL问题时通过Ducc配置实现动... 目录背景解决思路开源方案调研设计方案详细设计使用方法1、引入依赖jar包2、配置组件XML3、核心配

Python开发文字版随机事件游戏的项目实例

《Python开发文字版随机事件游戏的项目实例》随机事件游戏是一种通过生成不可预测的事件来增强游戏体验的类型,在这篇博文中,我们将使用Python开发一款文字版随机事件游戏,通过这个项目,读者不仅能够... 目录项目概述2.1 游戏概念2.2 游戏特色2.3 目标玩家群体技术选择与环境准备3.1 开发环境3

Java NoClassDefFoundError运行时错误分析解决

《JavaNoClassDefFoundError运行时错误分析解决》在Java开发中,NoClassDefFoundError是一种常见的运行时错误,它通常表明Java虚拟机在尝试加载一个类时未能... 目录前言一、问题分析二、报错原因三、解决思路检查类路径配置检查依赖库检查类文件调试类加载器问题四、常见

Python中的Walrus运算符分析示例详解

《Python中的Walrus运算符分析示例详解》Python中的Walrus运算符(:=)是Python3.8引入的一个新特性,允许在表达式中同时赋值和返回值,它的核心作用是减少重复计算,提升代码简... 目录1. 在循环中避免重复计算2. 在条件判断中同时赋值变量3. 在列表推导式或字典推导式中简化逻辑

C语言中位操作的实际应用举例

《C语言中位操作的实际应用举例》:本文主要介绍C语言中位操作的实际应用,总结了位操作的使用场景,并指出了需要注意的问题,如可读性、平台依赖性和溢出风险,文中通过代码介绍的非常详细,需要的朋友可以参... 目录1. 嵌入式系统与硬件寄存器操作2. 网络协议解析3. 图像处理与颜色编码4. 高效处理布尔标志集合

Java中的Lambda表达式及其应用小结

《Java中的Lambda表达式及其应用小结》Java中的Lambda表达式是一项极具创新性的特性,它使得Java代码更加简洁和高效,尤其是在集合操作和并行处理方面,:本文主要介绍Java中的La... 目录前言1. 什么是Lambda表达式?2. Lambda表达式的基本语法例子1:最简单的Lambda表

Java程序进程起来了但是不打印日志的原因分析

《Java程序进程起来了但是不打印日志的原因分析》:本文主要介绍Java程序进程起来了但是不打印日志的原因分析,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录Java程序进程起来了但是不打印日志的原因1、日志配置问题2、日志文件权限问题3、日志文件路径问题4、程序

Python结合PyWebView库打造跨平台桌面应用

《Python结合PyWebView库打造跨平台桌面应用》随着Web技术的发展,将HTML/CSS/JavaScript与Python结合构建桌面应用成为可能,本文将系统讲解如何使用PyWebView... 目录一、技术原理与优势分析1.1 架构原理1.2 核心优势二、开发环境搭建2.1 安装依赖2.2 验

Java字符串操作技巧之语法、示例与应用场景分析

《Java字符串操作技巧之语法、示例与应用场景分析》在Java算法题和日常开发中,字符串处理是必备的核心技能,本文全面梳理Java中字符串的常用操作语法,结合代码示例、应用场景和避坑指南,可快速掌握字... 目录引言1. 基础操作1.1 创建字符串1.2 获取长度1.3 访问字符2. 字符串处理2.1 子字

Vue3组件中getCurrentInstance()获取App实例,但是返回null的解决方案

《Vue3组件中getCurrentInstance()获取App实例,但是返回null的解决方案》:本文主要介绍Vue3组件中getCurrentInstance()获取App实例,但是返回nu... 目录vue3组件中getCurrentInstajavascriptnce()获取App实例,但是返回n