開關(guān)電源中電源紋波噪聲產(chǎn)生的原因及解決方法，附實(shí)戰(zhàn)方案

發(fā)布時(shí)間：2024-12-3 閱讀量：1984 來源: 我愛方案網(wǎng) 作者: bebop

DC/DC電源電路具有功耗低，功率高的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)由于DC/DC電路轉(zhuǎn)換通過開關(guān)方式完成，造成不可避免的噪聲引入，具體為電源電路的紋波和噪聲。

這種現(xiàn)象不僅影響了設(shè)備的性能，還可能縮短其使用壽命。本文將探討電源紋波噪聲產(chǎn)生的原因，并提出有效的解決方法。

電源紋波噪聲產(chǎn)生的原因

開關(guān)電源的設(shè)計(jì)缺陷：開關(guān)電源通過快速切換狀態(tài)來轉(zhuǎn)換電壓，這一過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生電磁干擾（EMI），進(jìn)而形成紋波噪聲。如果開關(guān)頻率選擇不當(dāng)或?yàn)V波設(shè)計(jì)不足，紋波噪聲會(huì)更加嚴(yán)重。
負(fù)載變化：當(dāng)電源所驅(qū)動(dòng)的電路負(fù)載發(fā)生快速變化時(shí)，電源需要迅速調(diào)整輸出以滿足新的需求。這種快速響應(yīng)可能會(huì)導(dǎo)致輸出電壓的波動(dòng)，從而產(chǎn)生紋波噪聲。
接地不良：在多點(diǎn)接地或接地路徑存在高阻抗的情況下，電流流經(jīng)這些路徑時(shí)會(huì)產(chǎn)生壓降，導(dǎo)致地電位波動(dòng)，進(jìn)而引起電源紋波。
元件老化或損壞：隨著使用時(shí)間的增長，電源內(nèi)部的電容、電阻等元件可能會(huì)老化或損壞，這些元件性能的變化會(huì)導(dǎo)致紋波噪聲的增加。
外部干擾：外界電磁環(huán)境中的電磁干擾也可能侵入電源系統(tǒng)，造成紋波噪聲。例如，附近的無線發(fā)射器或其他電子設(shè)備產(chǎn)生的電磁場可能會(huì)影響電源的穩(wěn)定性。

解決電源紋波噪聲的方法

1.吸收式濾波：吸收式濾波有電容和電容電路構(gòu)成，可以將噪聲徹底消除。

2.反射式濾波:由π，T或L或LC濾波電路組成，其原理是使直流信號(hào)無衰減的通過濾波電路，而頻率較高的紋波和噪聲則被返回至源端。利用了濾波電路的阻抗失配達(dá)成濾波效果。其特點(diǎn)是濾波電路并不能將噪聲完全消除，干擾仍然存在于電路中。根據(jù)源端阻抗和負(fù)載端阻抗的不同，有以下四種反射式濾波電路可供選擇。DC/DC電路中常用1和3.

（圖源面包板社區(qū)）

由于LC濾波電路的濾波原理是反射，干擾仍會(huì)存在于電路中，因此為避免這些干擾對(duì)其他電路的影響，需要采取其他一些措施：

增加濾波電容。單純的電容和磁珠都具有將噪聲完全濾除噪聲的作用。

（圖源面包板社區(qū)）

如上圖所示，為減小輸入端電源電路的干擾對(duì)電源電路的影響，需在A處放置電源濾波電路，其效果是將干擾反射回3.3V電源平面，而為避免反射的這些干擾對(duì)其他3.3V器件的影響，要在B處放置若干濾波電容。

將磁珠串聯(lián)在LC濾波電路上，利用磁珠吸收電源干擾。如下圖所示

（圖源面包板社區(qū)）

這樣既發(fā)揮了LC濾波電路的反射功能，又充分利用了磁珠對(duì)紋波和噪聲等干擾的吸收功能。

如果要求更加嚴(yán)格，還可以加一級(jí)LDO

在開關(guān)電源或模塊電源輸出后再加一個(gè)低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)能大幅度地降低輸出噪聲，以滿足對(duì)噪聲特別有要求的電路需要，輸出噪聲可達(dá)μV級(jí)。

（圖源面包板社區(qū)）

由于LDO的壓差(輸入與輸出電壓的差值)僅幾百mV，則在開關(guān)電源的輸出略高于LDO幾百mV就可以輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓了，并且其損耗也不大。

下面快包分析師將推薦國內(nèi)外性能領(lǐng)先的即插即用數(shù)字電源方案PCBA及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)方式，以作參考。

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意法半導(dǎo)體3 kW 全橋 LLC 諧振數(shù)字電源方案

方案簡介：

一款數(shù)字控制的3 kW全橋LLC諧振DC-DC轉(zhuǎn)換器，具有輸出同步整流功能。該套件由電源板、數(shù)字控制板、適配器板和固件模塊組成。

LLC轉(zhuǎn)換器的全橋初級(jí)部分基于MDmesh DM2功率MOSFET，可實(shí)現(xiàn)高效率性能。PWM開關(guān)頻率通過數(shù)字控制來調(diào)節(jié)輸出電壓。該轉(zhuǎn)換器在接近諧振的頻率下工作，以最大限度地提高效率，并在整個(gè)工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān) （ZVS）。

數(shù)字控制板上的STM32F334微控制器嵌入了高分辨率定時(shí)器，可實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的調(diào)節(jié)，并可通過 USART、CAN、SMBus 和光耦合串行通信來傳輸狀態(tài)信息。

方案特點(diǎn)：

額定功率：

輸入直流電壓：375 V 至 425 V
輸出電壓：48 V
最大輸出電流：62.5 A
輸出功率：3 kW
峰值效率：95.3%
高頻變壓器隔離電壓：4 kV

諧振和開關(guān)頻率：

最大DC-DC開關(guān)頻率：380 kHz（啟動(dòng)時(shí)）
閉環(huán)開關(guān)頻率：120kHz 至 250kHz
諧振頻率：175 kHz

保護(hù)機(jī)制：

輸入和輸出端的欠壓和過壓保護(hù)
過熱保護(hù)
短路保護(hù)
根據(jù)輸出功率和溫度調(diào)節(jié)空氣流速的強(qiáng)制冷卻

效率：

自適應(yīng)同步整流
輕負(fù)載突發(fā)模式

應(yīng)用場景：

通信電源，服務(wù)器電源，PV儲(chǔ)能電源，UPS不間斷電源

小華HC32F334 3kW 兩相交錯(cuò)全橋LLC方案（參考設(shè)計(jì)）

方案簡介：

交錯(cuò)式LLC電源拓?fù)淠艽蠓冉档蚅LC輸出電流紋波，可以減少輸出側(cè)濾波電容，從而減少系統(tǒng)體積；擴(kuò)大單相LLC變換器的輸出功率容量，相比直接并聯(lián)，多相交錯(cuò)后相間易于均流；輕負(fù)載時(shí)還可以以單相全橋模式工作。所以已經(jīng)廣泛應(yīng)用在中大功率工業(yè)領(lǐng)域。小華HC32F334專用數(shù)字電源控制器結(jié)合了交錯(cuò)LLC的發(fā)波時(shí)序和保護(hù)需求，完全自主開發(fā)設(shè)計(jì)，支持12路130ps高精度HRPWM。

方案特色：

輸入電壓：DC 380-420V

輸出電壓：DC 48V

功率：3000W

峰值效率：97%

諧振頻率：132K

兩相均流度：＞95%

輸出紋波：＜1%

應(yīng)用場景：

AC/DC、DC/DC數(shù)字電源應(yīng)用，如通信與服務(wù)器電源、磚塊電源、微逆、充電樁DC/DC等。

快包項(xiàng)目開發(fā)需求：微光像增強(qiáng)器高速高速脈沖門控電源

該項(xiàng)目預(yù)算10W+，個(gè)人及公司均可以承接本項(xiàng)目，歡迎電源領(lǐng)域資深人士,長期配合。