开关电源

开关模式电源（SMPS）上的噪声有时会变得很糟糕。

我正在评估一个简单的低成本开关电源（SMPS）上的电压噪声，并且几乎因为这些电源在噪声方面的声誉不佳而下降。

<strong>开关稳压器中的输出噪声</strong>

就其性质而言，nSMPS的输出会有一些开关噪声。毕竟，它们被设计为使用脉冲宽度调制（或脉冲频率调制）信号从较高直流电源切换电流，然后使用2极LC滤波器对其进行滤波。

MOSFET的开关动作产生交替周期，其中第一电流流入电感器，然后电感器放电。这导致大的dI / dt和大的电压尖峰。我们期待这种噪音。这是一个问题，LC滤波器在防止这些大电压尖峰传输到电路的其余部分方面有多么有效。

SMPS的典型输出电压将在开关频率处显示纹波。一个重要的指标是当调节器没有负载时，以及在应用中加载典型负载电阻时有多少纹波。

<strong>测量开关电源中的噪声</strong>

我最近有一个低噪声应用，我想尝试使用一个非常低成本的3.3 V SMPS; 仅需要50 mA的负载电流。我有一个评估板，我用5 V墙壁电源连接到电源，用一个简单的10×探头测量输出。我的测量配置如图1所示。

<strong>1、基本名词</strong>

常见的基本拓扑结构
■Buck降压
■Boost升压
■Buck-Boost降压-升压
■Flyback反激
■Forward正激
■Two-Transistor Forward双晶体管正激
■Push-Pull推挽
■Half Bridge半桥
■Full Bridge全桥
■SEPIC
■C’uk

基本的脉冲宽度调制波形

这些拓扑结构都与开关式电路有关。

基本的脉冲宽度调制波形定义如下：

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<strong>1、什么是漏感</strong>

漏感是电机初次级在耦合的过程中漏掉的那一部份磁通。

变压器的漏感应该是线圈所产生的磁力线不能都通过次级线圈,因此产生漏磁的电感称为漏感。

漏感在哪？虽然印制电路板上的印制导线以及变压器的引线端也是漏感的一部分，但大部分漏感在变压器原边侧绕组中，尤其是那些与副边侧绕组有耦合关系的原边侧绕组中。

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漏感是因为变压器一组线圈到另一组磁通量不完全耦合而产生的电感分量。任何初级线圈到次级线圈磁通量没有耦合的部分会表现出一个与初级串联的感性阻抗，因此在原理图中，漏感表示为在理想变压器初级线圈前端一个而外的电感。

<strong>1.引言</strong>

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管的导通和关断的时间比率，维持输出电压稳定的一种电源，它和线性电源相比，具有效率高、功率密度高、可以实现和输人电网的电气隔离等优点，被誉为离效节能电源M目前开关电源已经应用到了各个领域，尤其在大功率应用的场合，开关电源具有明显的优势。

开关电源一般由脉冲宽度控制(PWM)IC、功率开关管、整流二极管和LC滤波电路构成。在中小功率开关电源中，功率开关管可以集成在PWM控制IC内。开关电源按反馈方式分为电压模式和电流模式。电流模式开关电源因其突出的优点而得到了快速的发展和广泛的应用。但是电流模式的结构决定了它存在两个缺点:恒定峰值电流而非恒定平均电流引起的系统开环不稳定:占空比大于50%时系统的开环不稳定。

本文旨在从原理上分析传统电流模式的缺陷及改进方案，之后分析一个实用的斜坡补偿电路。

<strong>2.电流模式的原理分析</strong>

估计很多新手工程师在设计开关电源计算变压器时发现，把电源的开关频率提高后变压器磁芯更加不容易饱和，或者说可以用更小的磁性做出同样功率的电源，甚至在想把开关频率无限制提高来无限制缩小变压器的体积。

但实际上一般开关电源的频率都不会特别高，也不可能使频率无限提高，其中到底有哪些原因？请看下文！

器件限制、损耗、EMI、PCB布局难度提升等问题都是制约开关频率无限提升的因素，下面稍微展开来讲一下！

<strong>01、器件的限制</strong>

对于一个开关管来说，在实际应用中，不是给个驱动就开，驱动撤掉就关了。它有开通延迟时间（tdon），上升时间（tr），关断延迟时间（tdoff），下降时间tf，对应的波形如下：

电源适用的安规标准

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接触电流要求

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安全距离的位置及要求

一个良好的布局设计可优化效率，减缓热应力，并尽量减小走线与元件之间的噪声与作用。这一切都源于设计人员对电源中电流传导路径以及信号流的理解。

当一块原型电源板首次加电时，最好的情况是它不仅能工作，而且还安静、发热低。然而，这种情况并不多见。

开关电源的一个常见问题是“不稳定”的开关波形。有些时候，波形抖动处于声波段，磁性元件会产生出音频噪声。如果问题出在印刷电路板的布局上，要找出原因可能会很困难。因此，开关电源设计初期的正确PCB布局就非常关键。

电源设计者要很好地理解技术细节，以及最终产品的功能需求。因此，从电路板设计项目一开始，电源设计者应就关键性电源布局，与PCB布局设计人员展开密切合作。

一个好的布局设计可优化电源效率，减缓热应力；更重要的是，它最大限度地减小了噪声，以及走线与元件之间的相互作用。为实现这些目标，设计者必须了解开关电源内部的电流传导路径以及信号流。要实现非隔离开关电源的正确布局设计，务必牢记以下这些设计要素。

<strong>布局规划</strong>

<strong>1、环路稳定性评价指标</strong>

衡量开关电源稳定性的指标是相位裕度和增益裕度。同时穿越频率，也应作为一个参考指标。

(1) 相位裕度是指：增益降到0dB时所对应的相位。

(2) 增益裕度是指：相位为0deg时所对应的增益大小(实际是衰减)。

(3) 穿越频率是指：增益为0dB时所对应的频率值。

相位裕度，增益裕度，穿越频率，如图（波特图）所示。

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相位容限即相位裕度，增益容限即增益裕度。

<strong> 2、开关电源控制环路稳定性验证</strong>

开关电源大致由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。

<strong>1、主电路</strong>

冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。
输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。
整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。
逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。
输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

<strong>2、控制电路</strong>

一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。

<strong>3、检测电路</strong>

提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。

<strong>4、辅助电源</strong>

实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。