本文要點
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紋波在電源上表現為雜訊。 |
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要想提供穩定的電源，需要降低輸出電壓的紋波。 |
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降低紋波的技術包括濾波和回饋精確調節。 |
所有的電源都具有一定程度的波紋，在裝置輸出口上表現為雜訊。尤其是在開關 DC-DC 轉換器的輸出上，紋波是一個煩人的雜訊問題。在一些應用中，特別是接收直流電源電壓的模擬元件，需要有非常「乾淨」的電源，否則雜訊可能會傳播到元件的輸出端。相比之下，飽和邏輯 (例如 TTL 和 CMOS) 抵抗此類雜訊的能力更強。
採用開關調節的 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開關頻率、功率輸出和負載工作頻率相匹配。負載阻抗也會對確定開關轉換器的行為和實施的紋波降低技術的有效性有影響。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最佳應用場合。
紋波降低技術：簡易版與進階版
紋波降低技術可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一些演算法試圖補償DC-DC 轉換器輸出的波紋，其過程可能有點複雜，最好利用專用的 ASIC 來實施。
利用 LDO 進行調節
這種策略是一種入門級的紋波降低技術，適用於使用直流電源的器件。許多數位元件包含一個用於降低紋波的片上低壓差 (LDO) 線性穩壓器，提供的紋波降低效果可以達到 80dB 左右，這意味著紋波可以降低 1 億倍！這類設計的原理是在元件中使用一個比較器和一個穩定的矽帶隙參考電壓源，使輸出電壓飽和。然而，該方法是透過飽和來降低雜訊，因此當輸入電壓差和輸出功率過高時，零件會產生大量的熱量。
線性穩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行過濾，是解決紋波頻率問題的一種策略。這種方法在直流穩壓器中效果較好，特別是在實施濾波的時候。在 pi型 (LC 電路) 中實現的簡單高階無源濾波，可以在傳遞函數中提供很高的滾降係數，但需要非常大的電感和電容來濾除典型的 PWM 頻率。一個更複雜的策略是使用有源濾波技術，將電抗添加到回饋環路中，這種方法可以提供非常高的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度整合的開關穩壓器零件中，特別是那些在同一封裝中實現 PWM 振盪器、柵極驅動器和 FET 級的零件。對於在非常高的功率輸出下運行的更先進的設計，需要一組分立器件來實現反饋迴路的控制策略。一旦輸出上的波紋可以與直流輸出一起被感知到，能夠調整 PWM 驅動訊號和驅動頻率的控制策略可以同時穩定輸出水準和波紋。電源系統設計師們對這個領域進行了積極的研究。
較大的電感器和較高的 PWM 頻率
這兩種方法應該同時提及，因為它們是用於設置開關穩壓器中初始紋波值的標準工具 (在標準降壓、升壓和降壓-升壓設計中)。紋波水準與輸出電感和 PWM 頻率成反比，因此增加這兩者將降低輸出口上測得的紋波。
在較低的開關頻率下，需要使用大型電感器才能達到目標紋波值
多相調節
多相轉換器實現了多個並聯的開關級，但在相位上是彼此分開的。雖然這些電路可能要複雜得多，但它們的作用類似於單級穩壓器，具有更大的開關頻率和電感器。其結果是大大降低了輸出端測得的紋波。只要輸出過濾級的截止頻率高於基帶頻率，這些穩壓器就可以用於直流負載或調頻信號的高頻交流負載。這些轉換器還可以提供高電流，同時不會對器件造成過大的壓力，因為開關負載被分散到多個開關級上。
紋波降低技術總結
下表說明了各種紋波降低技術在哪種情況下適合用於開關式 DC-DC 轉換器。設計師應該注意使用各個方法來實現紋波降低，因為如果在錯誤的情況下使用，相應的機制可能會失效。
| 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 |
多相調節 |
高 (約 10 MHz) |
高 |
適用於高 GHz |
回饋控制 |
中到高 (1 到 10 MHz) |
高 |
最適合直流電路 |
較大的電感器 |
最高可達電感器 EPC 的上限 |
取決於額定電流 |
最高可達電感器 EPC 的上限 |
較高的 PWM 頻率 |
任意 |
任意 |
最適合直流電路 |
最後要考慮的一點是，這些方法在新的設計中往往是一起實行的。例如，用於射頻電源系統和大功率射頻發射器的降壓轉換器可以使用高階低通濾波、多相調節和高 PWM 頻率 (幾 MHz 或更高)，並在反饋回路中採用無源或有源控制方法。選擇正確的技術組合需要考慮各個因素，從負載的行為到轉換器級的操作。要評估這些設計，可以從帶有高精度器件模型的 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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