《FPGA全程进级---实战演习》第四十后生可畏章

日期:2019-11-08编辑作者:北京赛车官方正版投注

减小电容的ESR及ESL,可以有效的减小电源上的纹波及噪音,此外电源模块的小型化也是趋势,所以片式多层陶瓷电容MLCC(Multi Layer Ceramic Capacitor)越来越多地被用于输出电容。但是,使用MLCC电容会产生一个新的问题,它的结构会导致啸叫。

  分布式架构是先由一个模块生成一个中间电压,然后再去转换成其他单板所需要的电压,如图2所示。第一级输出可以要求有较大的噪声和纹波,第二级电源输出所需要的各种电源,这时必须考虑纹波和噪声问题。但分布式也有一个问题就是涉及多级转换,可能效率上不如集总式分布架构。

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图1.啸叫的MLCC电容如图2所示,陶瓷的强介电性会引起压电效应,叠层电容在施加交流电之后,会在叠层方向发生伸缩。因为介电体的泊松比一般为 0.3,所以与叠层方向垂直的方向,即与电路板平行的方向也会发生伸缩,结果导致电路板表面产生振动并能够听到声音。虽然电容器以及电路板的振幅仅为 1pm——1nm,但振动声音已足够大到我们可以听见,会听到类似“叽”的声音。术语解释:泊松比是指材料在单向受拉或受压时,横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值,也叫横向变形系数,它是反映材料横向变形的弹性常数。 图2.MLCC电容产生啸叫的原因所以,电容的啸叫实际上是电容的压电效应导致了PCB的形变。因此,抑制电容啸叫的主要措施是抑制或者抵消PCB的形变。比如,可以将引起啸叫的电容在同一面,以不同的角度摆放;或者将其在正反两面,正对着摆放;还有,可以选择带支架的电容器,当然这会增加成本,如图3。 图3.带支架的MLCC电容以上通过抑制PCB形变的方式来处理电容啸叫的问题治标不治本,尽量得从源头上处理掉引起啸叫的原因。实际上,引起电容啸叫的原因很单纯,必定是电容上被加载了人耳可以听到的交流电。所以,基本的分析思路如下:首先,用耳朵大致搜寻电容正在啸叫的那一片区域;通过总结相关案例,电容的啸叫现象多数发生在轻载模式。据其原因,因为在轻载模式下芯片一般会进入高效模式。在高效模式,系统处于半开环模式,芯片监控反馈电压但是不采取实时响应,只有当输出电压低于阈值时,才会发送几个PWM脉冲,往电感和输出电容里充一点点的电。图5是轻载模式下的开关节点V_PHASE信号。在轻载模式下,输出电压的纹波电压会比较大,同时流过电容的交流电的频率也比较离散,所以容易发生啸叫事件。轻载模式的本意是好的,为了降低系统的静态电流。当系统处在Deep sleep模式,一般只有少数几路常电在以极低的负载电流在工作,所以这一点能量一般不足以引起电容的啸叫。但是,如果轻载模式与Normal PWM模式切换的阈值没有被恰当地设置的话,系统可能会在负载电流比较小的时候仍然停留在轻载模式而无法切入Normal PWM模式,这样的后果是离散的开关脉冲也许会引起电容的啸叫。关于轻载模式和强制PWM模式的设置的一般建议如下:1、一级电源并且是常电模式,建议软件参与控制。在系统进入休眠之前,由软件设置芯片进入轻载模式;当系统从休眠模式被唤醒,软件需要及时地将电源设置为强制PWM模式。2、如果是二级电源并且对轻载效率的要求不是特别严苛时,尽量全程设置为强制PWM模式。有一些电路特别是低成本的简易电路,软件没有办法设置PWM模式,不幸又发生了电容啸叫事件,可以尝试以下几种方法:1、更换电容的数值,甚至尝试不同厂家或者不同型号的电容;2、 安装假负载,这是没办法时的办法;3、“多余”的电容也会引起环路不稳定,导致啸叫,可尝试移除一些“可有可无”的电容;4、过大的输出电容会导致相位裕量过大,这会延缓进入PWM模式的时机,尝试适当减小相位裕量。

图4 LC滤波电路

【嵌牛鼻子】:但开关电源的缺点是由于其开关管工作于高频开关状态,输出的纹波和噪声电压较大,一般为输出电压的1%左右(低的为输出电压的0.5%左右),最好产品的纹波和噪声电压也有几十mV;而线性电源的调整管工作于线性状态,无纹波电压,输出的噪声电压也较小,其单位是μV。

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  2)在DCDC电路中,不应简单关注输出电压部分,还应确保输入电压在上电过程不能太慢,也不能太快。

在同一块PCB上可能有多个模块电源一起工作。若模块电源是不屏蔽的、并且靠的很近,则可能相互干扰使输出噪声电压增加。为避免这种相互干扰可采用屏蔽措施或将其适当远离,减少其相互影响的干扰。

LDO电源类型

开关电源输出的不是纯正的直流电压,里面有些交流成分,这就是纹波和噪声造成的。纹波是输出直流电压的波动,与开关电源的开关动作有关。每一个开、关过程,电能从输入端被“泵到”输出端,形成一个充电和放电的过程,从而造成输出电压的波动,波动频率与开关的频率相同。纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰峰值,其大小与开关电源的输入电容和输出电容的容量及品质有关。

  高速电路中的电源设计大概分为两种,一种是集总式架构,一种是分布式架构。集总式架构就是由一个电源输入,然后生成多种所需要的电压。如图1所示。这种架构会增加多个DC/DC模块,这样成本不可控,PCB面积也需要增加,但集总式分布架构可以提高整体电源转换效率。

由于LDO的压差(输入与输出电压的差值)仅几百mV,则在开关电源的输出略高于LDO几百mV就可以输出标准电压了,并且其损耗也不大。

  DC/DC电源的调制方式有PWM(脉冲宽度调制),PFM(脉冲频率调制),以及PWM和PFM混合。目前市场上面是基于PWM居多。

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DCDC电源类型

【嵌牛提问】:开关电源产生纹波和噪声的原因和测量方法、测量装置、测量标准及减小纹波和噪声的措施分别是什么

  LDO电源芯片还有一个问题就是功耗过大,P = (Vin - Vout)*I,在设计PCB是最好在LDO底部打些过孔,以增加散热。

为减小输出噪声,电源的开关频率应与系统中的频率同步,即开关电源采用外同步输入系统的频率,使开关的频率与系统的频率相同。 4、避免多个模块电源之间相互干扰

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为减小模块电源的纹波和噪声,可以在DC/DC模块的输入和输出端加LC滤波器,如图5所示。图5左图是单输出,图21右图是双输出。

  1)额定电流是保险管正常工作所能承受的最大电流。保险管选型时不能选的太大,也不能选的太小,太大对电路无保护作用,太小对电路正常工作有影响。保险丝在使用时应该对额定电流降额到75%使用。在选择保险丝的额定电流时,应该先计算整个系统中所需要的最大电流IMAX(满负载荷时),确定之后,选取保险丝的额定电流为 IMAX /75%使用。

有源EMI滤波器可在150kHz~30MHz间衰减共模和差模噪声,并且对衰减低频噪声特别有效。在250kHz时,可衰减60dB共模噪声及80dB差模噪声,在满载时效率可达99%。输出纹波衰减器可在1~500kHz范围内减低电源输出纹波和噪声30dB以上,并且能改善动态响应及减小输出电容。

  高速电路设计中,建议采用分布式架构。

若ΔIOUT=0.5A,ESR=25mΩ,则ΔVOUT=12.5mV。

高速电路中的电源设计

如果在同一块PCB上有能产生噪声干扰的电路,则在设计PCB时要采取相似的措施以减少干扰电路对开关电源的相互干扰影响。

  LDO芯片还应注意一点是接地电流(GND Pin Current)IGND这指的是静态电流,是LDO内部所消耗的电流。

开关电源除开关噪声外,在AC/DC转换器中输入的市电经全波整流及电容滤波,电流波形为脉冲,如图17所示(图a是全波整流、滤波电路,b是电压及电流波形)。电流波形中有高次谐波,它会增加噪声输出。良好的开关电源(AC/DC转换器)在电路增加了功率因数校正(PFC)电路,使输出电流近似正弦波,降低高次谐波,功率因数提高到0.95左右,减小了对电网的污染。电路图如图1所示。

  图3是LDO内部结构图。Vout由R1和R2两个电阻进行捕获,然后送往运算放大器A,在V 的电压值与VREF进行比较,差值经过运算放大器放大然后送给晶体管或MOSFET,以实现对Vout的调整,基本上是基于反馈原理,Vin的变化和负载的变化都会对Vout有影响。

5 、增加LC滤波器

图3 LDO内部结构图

采用高分子聚合物固态电解质的铝或钽电解电容作输出电容是最佳的,其特点是尺寸小而电容量大,高频下ESR阻抗低,允许纹波电流大。它最适用于高效率、低电压、大电流降压式DC/DC转换器及DC/DC模块电源作输出电容。例如,一种高分子聚合物钽固态电解电容为68μF,其在20℃、100kHz时的等效串联电阻(ESR)最大值为25mΩ,最大的允许纹波电流(在100kHz时)为2400mArms,其尺寸为:7.3mm(长)×4.3mm(宽)×1.8mm(高),其型号为10TPE68M(贴片或封装)。纹波电压ΔVOUT为:

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7、增加有源EMI滤波器及有源输出纹波衰减器

  2)直流电阻 P = I2 R,如果功耗过大,要考虑散热问题。

【嵌牛正文】:一、纹波和噪声产生的原因:

  LDO电源芯片需要注意的一点就是压差(Dropout),负载电流若是需要越大,其压差应该也越大。

噪声的产生原因有两种,一种是开关电源自身产生的;另一种是外界电磁场的干扰(EMI),它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。开关电源自身产生的噪声是一种高频的脉冲串,由发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成,也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多,噪声电压是其峰峰值。噪声电压的振幅很大程度上与开关电源的拓扑、电路中的寄生状态及PCB的设计有关。

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二、减小纹波和噪声电压的措施:

  纹波是电源波动成分中的低频成分,一般频率在5MHz之内的频段,产生自MOSFET的开关动作。

1、减少EMI的措施

  纹波和噪声的处理方法有两种方式:1)吸收式滤波器,由磁珠与电容的组合电路构成;2)反射式滤波器,由π,T,LC构成的滤波电路,反射式没有从根本上去除噪声,而是将噪声返回给源端。如下图4所示。

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  5)热能值 I2t指保险丝熔断时所需要的热能。

可以采用金属外壳做屏蔽减小外界电磁场辐射干扰。为减少从电源线输入的电磁干扰,在电源输入端加EMI滤波器,如图3所示(EMI滤波器也称为电源滤波器)。

  在计算LDO功耗时,P应包括静态功耗和动态功耗,动态功耗PD = (Vin - Vout)*I,静态功耗PS = Vin *IGND(此电流是内部消耗的电流)

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图2 分布式架构

3 、采用与产品系统的频率同步

  3)额定电压是指保险丝熔断时所能承受的最大电压,一般应大于整个系统输入电压。根据UL标准,在选择保险丝的额定电压时,应该降额80%,即若系统正常工作电压为U,则保险丝的额定电压最少要为U / 80%;

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保险丝

2 、在输出端采用高频性能好、ESR低的电容

  1)有时候电感会产生啸叫,这可能是通过电感的电流太大导致,改进办法,输入增加上电缓起电路,输出减少电感值。这个缓起电路可以利用RC进行构建。t = 2.2 RC。

【嵌牛导读】:开关电源(包括AC/DC转换器、DC/DC转换器、AC/DC模块和DC/DC模块)与线性电源相比较,最突出的优点是转换效率高,一般可达80%~85%,高的可达90%~97%其次,开关电源采用高频变压器替代了笨重的工频变压器,不仅重量减轻,体积也减小了,因此应用范围越来越广。

  在设计电源时,应将电源摆放在一个区域内,对于多层板,其相邻层最好也不要走高速信号线,避免对于LDO芯片的芯片。

6 、增加LDO

  3)在设计电源时要确定大的电流回路,在此回路上,噪声、纹波、电流都是最大的,需要注意,不能接入其他对上述三者影响较大的信号引脚。

在开关电源或模块电源输出后再加一个低压差线性稳压器(LDO)能大幅度地降低输出噪声,以满足对噪声特别有要求的电路需要(见图22),输出噪声可达μV级。

DCDC电源输出

某些开关频率在100kHz到几百kHz之间的电源,采用多层陶电容(MLCC)或钽电解电容作输出电容的效果也不错,其价位要比高分子聚合物固态电解质电容要低得多。

  LDO电源芯片的滤波建议采用ESR较大的钽电容加ESR较小的陶瓷电容搭配或者单独用ESR较小的陶瓷电容去滤除噪声。不建议用铝电解去代替钽电容,因为铝电解电容的ESR过大,这样会超过LDO对ESR的最大值要求。

有删节。

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ΔVOUT=ΔIOUT×ESR (1)

  • △U才能满足要去。

在表1及表2中列出1W DC/DC模块的VIN端和VOUT端在不同输出电压时的电容值。要注意的是,电容量不能过大而造起动问题,LC的谐振频率必须与开关频率要错开以避免相互干扰,L采用μH极的,其直流电阻要低,以免影响输出电压精度。

  4)压降,若芯片要求的电压为U,保险丝的压降为△U,那么电源的输入电压应为U

转载自:

DCDC电源纹波噪声

例如,用两个K7805-500开关型模块组成±5V输出电源时,若两个模块靠的很近,输出电容C4、C2未采用低ESR电容,且焊接处离输出端较远,则有可能输出的纹波和噪声电压受到相互干扰而增加,如图4所示。

  已降压为目的的DCDC电路称为 BUCK电路,以升压为目的的电路称为BOOST电路,而以反相为目的的DCDC电路称为BUCK-BOOST电路。

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图1 集总分布架构

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  在高端芯片往往对电源的纹波和噪声有一定的要求,纹波一般控制在电源电压的1%之内,噪声控制在电源电压的3%~5%之内。DCDC的纹波和噪声始终是电路设计的难题。

若采用普通的铝电解电容作输出电容,额定电压10V、额定电容量100μF,在20℃、120Hz时的等效串联电阻为5.0Ω,最大纹波电流为70mA。它只能工作于10kHz左右,无法在高频(100kHz以上的频率)下工作,再增加电容量也无效,因为超过10kHz时,它已成电感特性了。

  噪声指电源波动中的高频成分,一般频率高于5MHz,MOSFET的开关噪声,随机白噪声,以及周围的干扰等。

开关电源或模块的输出纹波和噪声电压的大小与其电源的拓扑,各部分电路的设计及PCB设计有关。例如,采用多相输出结构,可有效地降低纹波输出。现在的开关电源的开关频率越来越高;低的是几十kHz,一般是几百kHz,而高的可达1MHz以上。因此产生的纹波电压及噪声电压的频率都很高,要减小纹波和噪声最简单的办法是在电源电路中加无源低通滤波器。

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