穩(wěn)定電源轉(zhuǎn)換的紋波降低技術(shù)
發(fā)布日期:2023-01-10
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本文要點(diǎn)：
• 紋波在電源上表現(xiàn)為噪聲。
• 要想提供穩(wěn)定的電源，需要降低輸出電壓的紋波。
• 降低紋波的技術(shù)包括濾波和反饋精確調(diào)節(jié)。
所有的電源都具有一定程度的波紋，在設(shè)備輸出口上表現(xiàn)為噪聲。尤其是在開(kāi)關(guān) DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸出上，紋波是一個(gè)煩人的噪聲問(wèn)題。在一些應(yīng)用中，特別是接收直流電源電壓的模擬器件，需要有非常”干凈“的電源，否則噪聲可能會(huì)傳播到器件的輸出端。相比之下，飽和邏輯（例如 TTL 和 CMOS）抵抗此類(lèi)噪聲的能力更強(qiáng)。
采用開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)的 DC-DC 轉(zhuǎn)換器至少需要實(shí)施一種紋波降低技術(shù)，但該技術(shù)需要與適當(dāng)?shù)拈_(kāi)關(guān)頻率、功率輸出和負(fù)載工作頻率相匹配。負(fù)載阻抗也會(huì)對(duì)確定開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器的行為和實(shí)施的紋波降低技術(shù)的有效性有影響。本文將簡(jiǎn)要介紹幾種紋波降低技術(shù)，以及它們?cè)谛滦碗娫丛O(shè)計(jì)中的最佳應(yīng)用場(chǎng)合。
紋波降低技術(shù)：簡(jiǎn)易版與高級(jí)版
紋波降低技術(shù)可以通過(guò)無(wú)源電路或有源電路，以及線(xiàn)性或非線(xiàn)性器件來(lái)實(shí)施。實(shí)施主動(dòng)控制策略的一些算法試圖補(bǔ)償 DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸出的波紋，其過(guò)程可能有點(diǎn)復(fù)雜，最好利用專(zhuān)用的 ASIC 來(lái)實(shí)施。
利用 LDO 進(jìn)行調(diào)節(jié)
這種策略是一種入門(mén)級(jí)的紋波降低技術(shù)，適用于使用直流電源的器件。許多數(shù)字器件包含一個(gè)用于降低紋波的片上低壓差 (LDO) 線(xiàn)性穩(wěn)壓器，提供的紋波降低效果可以達(dá)到 80dB 左右，這意味著紋波可以降低 1 億倍！這類(lèi)設(shè)計(jì)的原理是在器件中使用一個(gè)比較器和一個(gè)穩(wěn)定的硅帶隙參考電壓源，使輸出電壓飽和。然而，該方法是通過(guò)飽和來(lái)降低噪聲，因此當(dāng)輸入電壓差和輸出功率過(guò)高時(shí)，器件會(huì)產(chǎn)生大量的熱量。
線(xiàn)性穩(wěn)壓器可以大幅降低紋波
濾波
用低通濾波器或陷波濾波器進(jìn)行過(guò)濾，是解決紋波頻率問(wèn)題的一種策略。這種方法在直流穩(wěn)壓器中效果較好，特別是在實(shí)施濾波的時(shí)候。在 pi型（LC 電路）中實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)單高階無(wú)源濾波，可以在傳遞函數(shù)中提供很高的滾降系數(shù)，但需要非常大的電感和電容來(lái)濾除典型的 PWM 頻率。一個(gè)更復(fù)雜的策略是使用有源濾波技術(shù)，將電抗添加到反饋環(huán)路中，這種方法可以提供非常高的直流增益并抑制交流輸出。
反饋控制
反饋環(huán)路隱含在一些高度集成的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器器件中，特別是那些在同一封裝中實(shí)現(xiàn) PWM 振蕩器、柵極驅(qū)動(dòng)器和 FET 級(jí)的器件。對(duì)于在非常高的功率輸出下運(yùn)行的更先進(jìn)的設(shè)計(jì)，需要一組分立器件來(lái)實(shí)現(xiàn)反饋回路的控制策略。一旦輸出上的波紋可以與直流輸出一起被感知到，能夠調(diào)整 PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)和驅(qū)動(dòng)頻率的控制策略可以同時(shí)穩(wěn)定輸出水平和波紋。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們對(duì)這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了積極的研究。
較大的電感器和較高的 PWM 頻率
這兩種方法應(yīng)該同時(shí)提及，因?yàn)樗鼈兪怯糜谠O(shè)置開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器中初始紋波值的標(biāo)準(zhǔn)工具（在標(biāo)準(zhǔn)降壓、升壓和降壓-升壓設(shè)計(jì)中）。紋波水平與輸出電感和 PWM 頻率成反比，因此增加這兩者將降低輸出口上測(cè)得的紋波。
在較低的開(kāi)關(guān)頻率下，需要使用大型電感器才能達(dá)到目標(biāo)紋波值。
多相調(diào)節(jié)
多相轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了多個(gè)并聯(lián)的開(kāi)關(guān)級(jí)，但在相位上是彼此分開(kāi)的。雖然這些電路可能要復(fù)雜得多，但它們的作用類(lèi)似于單級(jí)穩(wěn)壓器，具有更大的開(kāi)關(guān)頻率和電感器。其結(jié)果是大大降低了輸出端測(cè)得的紋波。只要輸出過(guò)濾級(jí)的截止頻率高于基帶頻率，這些穩(wěn)壓器就可以用于直流負(fù)載或調(diào)頻信號(hào)的高頻交流負(fù)載。這些轉(zhuǎn)換器還可以提供高電流，同時(shí)不會(huì)對(duì)器件造成過(guò)大的壓力，因?yàn)殚_(kāi)關(guān)負(fù)載被分散到多個(gè)開(kāi)關(guān)級(jí)上。
紋波降低技術(shù)總結(jié)
下表說(shuō)明了各種紋波降低技術(shù)在哪種情況下適合用于開(kāi)關(guān)式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。設(shè)計(jì)師應(yīng)該注意使用各個(gè)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)紋波降低，因?yàn)槿绻阱e(cuò)誤的情況下使用，相應(yīng)的機(jī)制可能會(huì)失效。
最后要考慮的一點(diǎn)是，這些方法在新的設(shè)計(jì)中往往是一起實(shí)施的。例如，用于射頻電源系統(tǒng)和大功率射頻發(fā)射器的降壓轉(zhuǎn)換器可以使用高階低通濾波、多相調(diào)節(jié)和高 PWM 頻率（幾 MHz 或更高），并在反饋回路中采用無(wú)源或有源控制方法。選擇正確的技術(shù)組合需要考慮各個(gè)因素，從負(fù)載的行為到轉(zhuǎn)換器級(jí)的操作。要評(píng)估這些設(shè)計(jì)，可以從帶有高精度器件模型的 SPICE 仿真開(kāi)始入手。
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