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电源
开关转换器代替线性稳压器,如何有效降低噪声?
2019-07-16 13:19
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电源技术
4359
5
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开关
电源
由于尺寸小、成本低和效率高而具有极高的价值,而最大的缺点就是高开关瞬态导致高输出噪声,这个缺点使它们无法用于以线性稳压器供电为主的高性能模拟
电路
中。
但是如果经过适当滤波的开关转换器可以代替线性稳压器从而产生低噪声电源,哪怕在要求极低噪声电源的苛刻应用中,上游电源树的某个地方也有可能存在开关电路。求一些设计方法,或者可以讨论一下开关电源设计。
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5条回答
uuwyfsdfsf
2019-07-16 18:18
在更详细地介绍各类滤波器的设计步骤前,部分在设计步骤中使用的各类滤波器的数值定义如下:
Δ
IPP
: 进入输出滤波器的峰峰值电流近似值。为方便计算,假定是正弦信号。数值取决于拓扑。对于降压转换器而言,它是电感中的峰峰值电流。对于升压转换器而言,它是开关B(通常是一个二极管)中的峰值电流。
Δ
V
RIP
OUT
: 转换器开关频率处的输出电压纹波近似值。
RESR
: 所选输出电容的ESR。
FSW
: 转换器开关频率。
CRIP
: 输出电容的计算中,假定所有Δ
I
PP
流入其中。
Δ
V
TRAN
OUT
: ISTEP施加于输出时,VOUT 的变化。
ISTEP
:输出负载的瞬时变化。
TSTEP
: 转换器对于输出负载瞬时变化的近似响应时间。
Fu
: 转换器的交越频率。对于降压转换器而言,其值通常为
FSW
⁄10。对于升压或降压/升压转换器而言,它通常位于右半平面零点(RHPZ)约1/3位置处。
最简单的滤波器类型为RC滤波器,如图3中基于低电流ADP161x升压设计的输出端所连接的那样。该滤波器具有低成本优势,无需阻尼。但是,由于功耗的原因,它仅对极低输出电流转换器有用。本文假定陶瓷电容具有较低ESR。
图3. 在输出端添加RC滤波器的ADP161x低输出电流升压转换器设计
RC二级输出滤波器设计步骤
第1步: C1根据以下条件选择:假设C1的输出纹波近似值可以忽略其余滤波器;5 mV p-p至20 mV p-p就是一个很好的选择。C1随后可通过公式1计算得出。
第2步:R可以根据功耗选择。R必须远大于RESR,电容和这个滤波器才能起作用。这将输出电流的范围限制在50 mA以下。
第3步:C2随后可通过公式2至公式6计算得出。A、a、b和c是简化计算的中间值,没有实际意义。这些公式假定R < />LOAD,且每个电容的ESR较小。这些都是很好的假设,引入的误差很小。C2应等于或大于C1。可调节第1步中的纹波,使其成为可能。
对于较高电流电源而言,将pi滤波器中的电阻以如图4中的电感代替是有好处的。这种配置提供了极佳的纹波和开关噪声抑制能力,并具有较低的功耗。问题在于,我们现在引入了一个额外的储能电路,它可能产生谐振。这就有可能导致振荡,使电源不稳定。因此,设计该滤波器的第一步是如何选择阻尼滤波器。图4显示了三种可行的阻尼技术。添加RFILT具有额外成本和尺寸增加较少的优势。阻尼电阻的损耗通常很少(甚至没有),哪怕大电源情况下都很小。缺点是,它会降低电感的并联阻抗,从而大幅降低滤波器的有效性。第二种技术的优势是滤波器性能最大化。
如果需要采用全陶瓷设计,则RD可以是与陶瓷电容串联的分立式电阻。否则需使用具有高ESR且物理尺寸较大的电容。这个额外的电容(CD)会大幅增加设计的成本和尺寸。阻尼技术3看上去具有极大的优势,因为阻尼电容CE添加至输出端,它可能对瞬态响应和输出纹波性能有所助益。然而,这种技术成本最高,因为所需电容数量极大。此外,输出端相对而言较多的电容会降低滤波器谐振频率,进而减少转换器可实现的带宽——因此不建议使用第3种技术。对于ADIsimPower设计工具来说,我们采用第1种技术,因为它成本较低,且在自动化设计步骤中相对来说较为容易实现。
图4. 采用输出滤波器并突出多种不同阻尼技术的ADP1621
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ΔIPP: 进入输出滤波器的峰峰值电流近似值。为方便计算,假定是正弦信号。数值取决于拓扑。对于降压转换器而言,它是电感中的峰峰值电流。对于升压转换器而言,它是开关B(通常是一个二极管)中的峰值电流。
ΔVRIPOUT : 转换器开关频率处的输出电压纹波近似值。
RESR: 所选输出电容的ESR。
FSW : 转换器开关频率。
CRIP: 输出电容的计算中,假定所有ΔIPP 流入其中。
ΔVTRANOUT: ISTEP施加于输出时,VOUT 的变化。
ISTEP:输出负载的瞬时变化。
TSTEP: 转换器对于输出负载瞬时变化的近似响应时间。
Fu: 转换器的交越频率。对于降压转换器而言,其值通常为FSW ⁄10。对于升压或降压/升压转换器而言,它通常位于右半平面零点(RHPZ)约1/3位置处。
最简单的滤波器类型为RC滤波器,如图3中基于低电流ADP161x升压设计的输出端所连接的那样。该滤波器具有低成本优势,无需阻尼。但是,由于功耗的原因,它仅对极低输出电流转换器有用。本文假定陶瓷电容具有较低ESR。
图3. 在输出端添加RC滤波器的ADP161x低输出电流升压转换器设计
RC二级输出滤波器设计步骤
第1步: C1根据以下条件选择:假设C1的输出纹波近似值可以忽略其余滤波器;5 mV p-p至20 mV p-p就是一个很好的选择。C1随后可通过公式1计算得出。
第2步:R可以根据功耗选择。R必须远大于RESR,电容和这个滤波器才能起作用。这将输出电流的范围限制在50 mA以下。
第3步:C2随后可通过公式2至公式6计算得出。A、a、b和c是简化计算的中间值,没有实际意义。这些公式假定R < />LOAD,且每个电容的ESR较小。这些都是很好的假设,引入的误差很小。C2应等于或大于C1。可调节第1步中的纹波,使其成为可能。
对于较高电流电源而言,将pi滤波器中的电阻以如图4中的电感代替是有好处的。这种配置提供了极佳的纹波和开关噪声抑制能力,并具有较低的功耗。问题在于,我们现在引入了一个额外的储能电路,它可能产生谐振。这就有可能导致振荡,使电源不稳定。因此,设计该滤波器的第一步是如何选择阻尼滤波器。图4显示了三种可行的阻尼技术。添加RFILT具有额外成本和尺寸增加较少的优势。阻尼电阻的损耗通常很少(甚至没有),哪怕大电源情况下都很小。缺点是,它会降低电感的并联阻抗,从而大幅降低滤波器的有效性。第二种技术的优势是滤波器性能最大化。
如果需要采用全陶瓷设计,则RD可以是与陶瓷电容串联的分立式电阻。否则需使用具有高ESR且物理尺寸较大的电容。这个额外的电容(CD)会大幅增加设计的成本和尺寸。阻尼技术3看上去具有极大的优势,因为阻尼电容CE添加至输出端,它可能对瞬态响应和输出纹波性能有所助益。然而,这种技术成本最高,因为所需电容数量极大。此外,输出端相对而言较多的电容会降低滤波器谐振频率,进而减少转换器可实现的带宽——因此不建议使用第3种技术。对于ADIsimPower设计工具来说,我们采用第1种技术,因为它成本较低,且在自动化设计步骤中相对来说较为容易实现。
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