如何降低电源输出纹波

电源的输出纹波分为静态纹波和动态纹波。静态纹波也可以称为稳态纹波,是指输出负载稳定不变化时的输出纹波。动态纹波则是指输出负载变化时的输出纹波。

静态纹波
以buck为例,由于在每个开关周期内,输出电容上有交变的电流流过,该纹波电流会使得输出电压产生变化,这是静态纹波的主要来源。这个纹波电流的大小与输出电流大小无关,与电感感值、开关频率成反比。


理想情况下,电容两端的电压变化为du=i*dt/C,其中i为流经电容的电流,C为容值,dt为时间。因此要减小静态纹波,可以减小纹波电流的幅值,提高开关频率,增大输出电容容值。
在实际应用中,输出电容还会存在寄生的ESR(等效串联电阻)和ESL(等效串联电感),选用ESR和ESL较小的输出电容也有利于降低输出纹波。同时,采用多颗电容并联的方式,能降低等效的ESR和ESL,会比单颗电容有更好的效果。
另外还可以通过在输出端加滤波器来降低静态纹波。常用LC滤波来降低输出纹波,详细的LC滤波设计方法可以查看以下文章:
干货 | 如何利用滤波器净化开关电源噪声,提供“无污染、无公害”的纯净电源?(下篇)

动态纹波
动态纹波主要是由于在负载产生跳变时,电感电流的变化会慢于输出电流,两者存在差值。这部分电流差值会由输出电容上的能量补充,就会在输出端产生一定的电压变化,即为动态纹波。如下图阴影部分则为电感电流与输出电流的差值。


那么可以通过增大输出电容、减小阴影部分面积可以降低动态纹波。减小阴影部分面积可以通过减小电感感值、提高开关频率、提高环路响应速度来使得电感电流变化地更快,但是减小电感感值会增大静态纹波,需要权衡。环路响应速度受芯片控制模式影响,也受反馈环路参数设置影响,一般来说COT模式的芯片能拥有更快的响应速度。此外不同类型的电容对不同频段的特性不同,组合使用可降低各频段的阻抗,也有利于降低动态纹波,例如陶瓷电容+电解电容组合。
在输出端加LC滤波只对某些频段有优化,总体来说对优化动态纹波作用不太大。某些芯片有DC load line功能,也可优化动态纹波,不过这种功能只有某些特定的芯片有,因此不多描述。

总结一下常见的纹波优化方案:
降低静态纹波

  • 增大电感感值
  • 提高开关频率
  • 增大输出电容容值
  • 采用低ESR、ESL的陶瓷电容
  • 输出端加滤波器

降低动态负载

  • 减小电感感值
  • 提高开关频率
  • 提高环路响应速度、选用COT模式的芯片
  • 增大输出电容容值
  • 不同类型电容组合使用
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