用于稳定电源转换的纹波降低技术

时间：2022-09-06来源：佚名

　　所有电源都有一定程度的纹波，在设备输出上表现为噪声。特别是，纹波是一个令人讨厌的噪声问题，在开关 DC-DC 转换器的输出上可以看到。某些应用，尤其是接收直流电源电压的模拟组件，需要非常干净的电源，否则噪声可能会传播到组件的输出端。相比之下，饱和逻辑（例如 TTL 和 CMOS）更不受此类噪声的影响。

　　实现开关调节的 DC-DC转换器需要实现至少一种纹波降低技术，但该技术需要与适当的开关频率、功率输出和负载工作频率相匹配。负载阻抗还在确定开关转换器的行为和所实施的纹波降低技术的有效性方面发挥作用。在本文中，我们将简要概述几种降低纹波的技术，以及它们最适合用于新电源设计的地方。

　　简单和高级的纹波减少技术

　　纹波减少技术可以用无源电路或有源电路以及线性或非线性元件来实现。一些用于实施主动控制策略以补偿 DC-DC 转换器输出纹波的算法可能有点复杂，最好使用专用 ASIC 来实施。

　　使用 LDO 进行调节

　　该策略是一种入门级纹波降低技术，适用于在直流电源上运行的组件。许多数字组件将包括一个可降低纹波的片上 LDO。这些组件提供的纹波减少效果可以在 80 dB 附近，这意味着纹波可以减少 1 亿倍！这些设计通过在组件中使用比较器和稳定的硅带隙参考电压源来运行，这会使输出电压饱和。但是，由于它们通过饱和来降低噪声，因此当输入电压差和输出功率过高时，它们会产生大量热量。

用于稳定电源转换的纹波降低技术

　　线性稳压器可以提供高纹波降低

　　过滤

　　使用低通滤波器或陷波滤波器进行滤波是解决纹波频率的策略。这在直流稳压器中是可取的，尤其是在实施滤波时。在 pi 拓扑（LC 电路）中实现的简单高阶无源滤波可以在传递函数中提供高滚降，但需要非常大的电感器和电容器来滤除典型的 PWM 频率。一种更复杂的策略是使用在反馈回路中添加电抗的有源滤波，这可以在直流时提供非常高的增益并抑制交流输出。

　　反馈控制

　　反馈环路隐含在一些高度集成的开关稳压器组件中，特别是那些将 PWM 振荡器、栅极驱动器和 FET 级实现到同一封装中的组件。以非常高的功率输出运行的更先进的设计需要一组分立元件来在反馈回路中实施控制策略。一旦可以在直流输出旁边检测到输出纹波，涉及调整 PWM 驱动信号和驱动频率的控制策略可以同时稳定输出电平和纹波。这是电力系统设计人员积极研究的领域之一。

　　更大的电感和更高的 PWM 频率

　　这两种方法应该一起提到，因为它们是用于在开关稳压器中设置初始纹波值的标准工具（在标准降压、升压和降压-升压设计中）。纹波水平与输出电感和 PWM 频率成反比，因此增加两者都会降低输出端测得的纹波。

用于稳定电源转换的纹波降低技术

　　在较低的开关频率下需要大电感来达到目标纹波值

　　多相调节

　　多相转换器并行实现多个开关级，但在相位上是分开的。虽然这些电路可能要复杂得多，但它们的作用类似于具有更大开关频率和电感器的单级稳压器。结果是大大降低了输出端测量的纹波。这些稳压器可用于 FM 信号的直流负载或高频交流负载，只要输出滤波级的截止频率高于基带频率即可。由于开关负载分布在多个开关级上，因此这些转换器还可以提供高电流而不会对组件造成过度压力。

　　纹波减少技术总结

　　下表显示了各种纹波降低技术何时适用于开关 DC-DC 转换器。设计人员应该注意他们使用哪些方法来实现纹波减少，因为如果在错误的情况下使用这些机制可能会失败。

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