【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

中文分词jieba库的使用与实景应用(一)

知识星球:https://articles.zsxq.com/id_fxvgc803qmr2.html 目录 一.定义: 精确模式(默认模式): 全模式: 搜索引擎模式: paddle 模式(基于深度学习的分词模式): 二 自定义词典 三.文本解析   调整词出现的频率 四. 关键词提取 A. 基于TF-IDF算法的关键词提取 B. 基于TextRank算法的关键词提取

水位雨量在线监测系统概述及应用介绍

在当今社会,随着科技的飞速发展,各种智能监测系统已成为保障公共安全、促进资源管理和环境保护的重要工具。其中,水位雨量在线监测系统作为自然灾害预警、水资源管理及水利工程运行的关键技术,其重要性不言而喻。 一、水位雨量在线监测系统的基本原理 水位雨量在线监测系统主要由数据采集单元、数据传输网络、数据处理中心及用户终端四大部分构成,形成了一个完整的闭环系统。 数据采集单元:这是系统的“眼睛”,

性能分析之MySQL索引实战案例

文章目录 一、前言二、准备三、MySQL索引优化四、MySQL 索引知识回顾五、总结 一、前言 在上一讲性能工具之 JProfiler 简单登录案例分析实战中已经发现SQL没有建立索引问题,本文将一起从代码层去分析为什么没有建立索引? 开源ERP项目地址:https://gitee.com/jishenghua/JSH_ERP 二、准备 打开IDEA找到登录请求资源路径位置

csu 1446 Problem J Modified LCS (扩展欧几里得算法的简单应用)

这是一道扩展欧几里得算法的简单应用题,这题是在湖南多校训练赛中队友ac的一道题,在比赛之后请教了队友,然后自己把它a掉 这也是自己独自做扩展欧几里得算法的题目 题意:把题意转变下就变成了:求d1*x - d2*y = f2 - f1的解,很明显用exgcd来解 下面介绍一下exgcd的一些知识点:求ax + by = c的解 一、首先求ax + by = gcd(a,b)的解 这个

hdu1394(线段树点更新的应用)

题意:求一个序列经过一定的操作得到的序列的最小逆序数 这题会用到逆序数的一个性质,在0到n-1这些数字组成的乱序排列,将第一个数字A移到最后一位,得到的逆序数为res-a+(n-a-1) 知道上面的知识点后,可以用暴力来解 代码如下: #include<iostream>#include<algorithm>#include<cstring>#include<stack>#in

zoj3820(树的直径的应用)

题意:在一颗树上找两个点,使得所有点到选择与其更近的一个点的距离的最大值最小。 思路:如果是选择一个点的话,那么点就是直径的中点。现在考虑两个点的情况,先求树的直径,再把直径最中间的边去掉,再求剩下的两个子树中直径的中点。 代码如下: #include <stdio.h>#include <string.h>#include <algorithm>#include <map>#

【区块链 + 人才服务】可信教育区块链治理系统 | FISCO BCOS应用案例

伴随着区块链技术的不断完善,其在教育信息化中的应用也在持续发展。利用区块链数据共识、不可篡改的特性, 将与教育相关的数据要素在区块链上进行存证确权,在确保数据可信的前提下,促进教育的公平、透明、开放,为教育教学质量提升赋能,实现教育数据的安全共享、高等教育体系的智慧治理。 可信教育区块链治理系统的顶层治理架构由教育部、高校、企业、学生等多方角色共同参与建设、维护,支撑教育资源共享、教学质量评估、

【机器学习】高斯过程的基本概念和应用领域以及在python中的实例

引言 高斯过程(Gaussian Process,简称GP)是一种概率模型,用于描述一组随机变量的联合概率分布,其中任何一个有限维度的子集都具有高斯分布 文章目录 引言一、高斯过程1.1 基本定义1.1.1 随机过程1.1.2 高斯分布 1.2 高斯过程的特性1.2.1 联合高斯性1.2.2 均值函数1.2.3 协方差函数(或核函数) 1.3 核函数1.4 高斯过程回归(Gauss

AI行业应用(不定期更新)

ChatPDF 可以让你上传一个 PDF 文件,然后针对这个 PDF 进行小结和提问。你可以把各种各样你要研究的分析报告交给它,快速获取到想要知道的信息。https://www.chatpdf.com/

【区块链 + 人才服务】区块链集成开发平台 | FISCO BCOS应用案例

随着区块链技术的快速发展,越来越多的企业开始将其应用于实际业务中。然而,区块链技术的专业性使得其集成开发成为一项挑战。针对此,广东中创智慧科技有限公司基于国产开源联盟链 FISCO BCOS 推出了区块链集成开发平台。该平台基于区块链技术,提供一套全面的区块链开发工具和开发环境,支持开发者快速开发和部署区块链应用。此外,该平台还可以提供一套全面的区块链开发教程和文档,帮助开发者快速上手区块链开发。