圖1 電容去耦電路
揭開開關(guān)電源的秘密面紗
發(fā)布時(shí)間:2021-03-11 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】隨著電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新,開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地提升。時(shí)至今日,開關(guān)電源已經(jīng)以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在幾乎所有的電子設(shè)備中,是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展過程中不可或缺的一種電源方式。但是開關(guān)電源的EMC的問題一直是一個(gè)頭疼的事。
一、背景
隨著電力電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新,開關(guān)電源技術(shù)也在不斷地提升。時(shí)至今日,開關(guān)電源已經(jīng)以小型、輕量和高效率的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在幾乎所有的電子設(shè)備中,是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展過程中不可或缺的一種電源方式。但是開關(guān)電源的EMC的問題一直是一個(gè)頭疼的事。
二、開關(guān)電源噪聲產(chǎn)生的原因
那么開關(guān)電源噪聲產(chǎn)生的原因有哪些呢?
(1) 穩(wěn)壓電源芯片輸出的電壓不穩(wěn)定,會(huì)產(chǎn)生一定的紋波。
穩(wěn)壓電源芯片輸出不穩(wěn)定電壓有可能是穩(wěn)壓芯片的直流輸出端產(chǎn)生誤差、電源噪聲的峰值幅度造成開關(guān)頻率的上升沿或下降沿出現(xiàn)錯(cuò)誤。而紋波的產(chǎn)生是在穩(wěn)壓電源芯片輸出的不穩(wěn)定造成電源噪聲余量不足,使得紋波的產(chǎn)生。
(2) 穩(wěn)壓電源無法實(shí)現(xiàn)對(duì)后端負(fù)載對(duì)于電流的需求的快速變化及時(shí)響應(yīng)。
穩(wěn)壓電源芯片通過感知其輸出電壓的變化,調(diào)整其輸出電流,從而把輸出電壓調(diào)整回額定輸出值。多數(shù)常用的穩(wěn)壓源調(diào)整電壓的時(shí)間在毫秒到微秒級(jí)別。因此,對(duì)于負(fù)載電流變化頻率在直流或幾百KHz之間時(shí),穩(wěn)壓源可以很好的做出調(diào)整,保持輸出電壓的穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)電流變化頻率超出這一范圍時(shí),穩(wěn)壓源的電壓輸出會(huì)出現(xiàn)跌落,從而產(chǎn)生電源噪聲。
(3) 負(fù)載瞬態(tài)電流在電源路徑和地路阻抗上產(chǎn)生一定的壓降。
三、抑制開關(guān)電源噪聲的措施
(1) 對(duì)于第一種開關(guān)電源產(chǎn)生的噪聲,是芯片自身決定的,因此這種噪聲我們只能接受,但是選擇好一點(diǎn)的穩(wěn)壓電源芯片是必要的。這樣就可以減少部分噪聲,接受的噪聲必然不會(huì)太高。
(2) 對(duì)于第二種電源噪聲的產(chǎn)生可以在負(fù)載前并聯(lián)一個(gè)電容。
圖1 電容去耦電路
當(dāng)負(fù)載電流不變時(shí),其電流由穩(wěn)壓電源部分提供,即圖1的I0,方向如圖所示。此時(shí)電容兩端電壓與負(fù)載兩端電壓一致,電流Ic為0,電容兩端存儲(chǔ)相當(dāng)數(shù)量的電荷,其電荷數(shù)量和電容量有關(guān)。當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)電流發(fā)生變化時(shí),由于負(fù)載芯片內(nèi)部晶體管電平轉(zhuǎn)換速度極快,必須在極短的時(shí)間內(nèi)為負(fù)載芯片提供足夠的電流。但是穩(wěn)壓電源無法很快響應(yīng)負(fù)載電流的變化,因此,電流I0不會(huì)馬上滿足負(fù)載瞬態(tài)電流要求,因此負(fù)載芯片電壓會(huì)降低。但是由于電容電壓與負(fù)載電壓相同,因此電容兩端存在電壓變化。對(duì)于電容來說電壓變化必然產(chǎn)生電流,此時(shí)電容對(duì)負(fù)載放電,電流Ic不再為0,為負(fù)載芯片提供電流。根據(jù)電容等式:
只要電容量C足夠大,只需很小的電壓變化,電容就可以提供足夠大的電流,滿足負(fù)載瞬態(tài)電流的要求。這樣就保證了負(fù)載芯片電壓的變化在容許的范圍內(nèi)。這里,相當(dāng)于電容預(yù)先存儲(chǔ)了一部分電能,在負(fù)載需要的時(shí)候釋放出來,即電容是儲(chǔ)能元件。儲(chǔ)能電容的存在使負(fù)載消耗的能量得到快速補(bǔ)充,因此保證了負(fù)載兩端電壓不至于有太大變化,此時(shí)電容擔(dān)負(fù)的是局部電源的角色。
可以從另一個(gè)層面去理解這個(gè)電容充當(dāng)電源的角色。如圖2所示,從AB到電源這邊看,可以把電源和電容等效成一個(gè)電源如圖3所示的等效電路。
圖2 電源電路
圖3 等效電路
這樣設(shè)計(jì)目標(biāo)是,不論AB兩點(diǎn)間負(fù)載瞬態(tài)電流如何變化,都要保持AB兩點(diǎn)間電壓變化范圍很小,根據(jù)公式:
這個(gè)要求等效于電源系統(tǒng)的阻抗Z要足夠低。在圖2中,我們是通過去耦電容來達(dá)到這一要求的,因此從等效的角度出發(fā),可以說去耦電容降低了電源系統(tǒng)的阻抗。
(3) 對(duì)于第三種的開關(guān)電源的噪聲,PCB板上任何電氣路徑不可避免的會(huì)存在阻抗,不論是完整的電源平面還是電源引線。對(duì)于多層板,通常提供一個(gè)完整的電源平面和地平面,穩(wěn)壓電源輸出首先接入電源平面,供電電流流經(jīng)電源平面,到達(dá)負(fù)載電源引腳。地路徑和電源路徑類似,只不過電流路徑變成了地平面。因此一個(gè)好的完整的地平面是非常必要的。
四、總結(jié)
雖然開關(guān)電源的應(yīng)用非常廣泛,但是開關(guān)電源的EMI問題也是最主要的。本文主要分析了開關(guān)電源噪聲產(chǎn)生的三個(gè)原因,以及對(duì)應(yīng)的措施,后續(xù)還會(huì)繼續(xù)給大家?guī)砀嘤嘘P(guān)于電源噪聲的文章,歡迎大家持續(xù)關(guān)注。
(來源:韜略科技EMC)
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