降低電源紋波的應用實例分析

1、問題提出

在某單板中，1.0V電源采用的電源芯片為LM21305，為開關型DC/DC。單板測試時發現1.0V上的電源紋波約為12.0mV，雖然紋波的絕對值不大，且單板運行正常。但是，紋波值達到的電壓值的1.2%，為了更使單板更加穩定，試圖找出影響紋波的主要原因，并將紋波值減小。

圖1 1.0V電源上的紋波值

2、問題分析解決

先看一下單板上原有參數下的計算值：

（1）芯片開關頻率

由于芯片的開關頻率可編程，可通過電阻進行配置，其相對應的關系如下：

式中，R=110K，理論可得F=451KHz，考慮到實際電阻誤差，根據示波器測得實際開關頻率F=464KHz.

（2）脈動電流峰峰值

將F=464KHz，L=2.2μH，Vout=1.0V，Vpvin=5.0V代入式一可得：ΔiLp-p = 0.788A

（3）紋波電壓

此單板中輸出電容是鉭電容和陶瓷電容的組合，輸出電容約為240μF。

根據廠家提供的信息，鉭電容的ESR最大約為25mΩ，陶瓷電容未提供ESR值。陶瓷電容的ESR值較低，那么按照25mΩ計算可得

ΔVout-esr=19.7mV，ΔVout-c=0.88mV

由于兩部分紋波電壓不同相，因此總的紋波電壓小于20.58mV。

通過計算兩部分紋波電壓可看出，1.0V上的紋波電壓主要的影響因素是脈動電流在電容的ESR上產生的紋波電壓。那么，要降低這一部分的紋波電壓，就要改變開關頻率、輸出電容以及電感中的一個或幾個參數值。由于單板中的輸出電容是鉭電容，其ESR值已經比較小了，選用其他類型電容的優勢不明顯，另一方面，受封裝、庫存及負載電流的限制，電感值也不太好更換。相對來說，器件的開關頻率容易改變，只需改變電阻值就可。根據前面的分析，提高開關頻率可降低脈動電流的值，也就可以降低紋波電壓的值。

將開關頻率配置電阻改為56K，理論可得F=827.9KHz，考慮到實際電阻誤差，根據示波器測得實際開關頻率約為F=854KHz。同時將L=2.2μH，Vout=1.0V，Vpvin=5.0V代入式一可得：ΔiLp-p = 0.426A

同樣可計算出：ΔVout-esr=10.65mV，ΔVout-c=0.28mV

經過對比，開關頻率的提高對降低紋波電壓的效果明顯。

通過計算和測量可看出，兩者之間有一定的數據差距。這主要是計算中的數據有一些是近似值，另一方面測量的結果也有一定的誤差。但是這并不影響我們評估紋波電壓產生的主要渠道以及影響紋波電壓的主要因素，并通過實踐來評估效果。

更改開關頻率后測得的紋波電壓如下圖：

圖2 更改開關頻率后1.0V電源上的紋波值

經驗總結

紋波是板上電源一個很重要的參數，如何將紋波在合理的設計下降至最低是每個電源電路需要重點考慮的。雖然各種開關電源的設計參數不同，但是影響紋波的因素基本上都有開關頻率，濾波電感，輸出電容，那么減小紋波電壓的過程其實也就是對上述幾個參數進行匹配選擇的過程。

1 開關頻率，此值越大，可將脈沖電流值降低，也就可以減小紋波電壓。但是頻率越高，也就對單板產生越大的干擾，對EMI會有一定的影響。

2 電感，需要根據實際情況下的負載電流值及開關頻率來選擇，在合理的選擇區間內選擇較大的電感可降低脈動電流。

3 輸出電容，需要選擇低ESR和高容量的器件。并且優先選擇溫度特性好的電容，這樣可使得溫度變化大的環境下紋波值不至于過大。

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