【導讀】所有的電源都具有一定程度的波紋，在設備輸出口上表現為噪聲。尤其是在開(kāi)關(guān) DC-DC 轉換器的輸出上，紋波是一個(gè)煩人的噪聲問(wèn)題。在一些應用中，特別是接收直流電源電壓的模擬器件，需要有非?！备蓛簟暗碾娫?，否則噪聲可能會(huì )傳播到器件的輸出端。相比之下，飽和邏輯（例如 TTL 和 CMOS）抵抗此類(lèi)噪聲的能力更強。
本文要點(diǎn)：
? 紋波在電源上表現為噪聲。
? 要想提供穩定的電源，需要降低輸出電壓的紋波。
? 降低紋波的技術(shù)包括濾波和反饋精確調節。
所有的電源都具有一定程度的波紋，在設備輸出口上表現為噪聲。尤其是在開(kāi)關(guān) DC-DC 轉換器的輸出上，紋波是一個(gè)煩人的噪聲問(wèn)題。在一些應用中，特別是接收直流電源電壓的模擬器件，需要有非?！备蓛簟暗碾娫?，否則噪聲可能會(huì )傳播到器件的輸出端。相比之下，飽和邏輯（例如 TTL 和 CMOS）抵抗此類(lèi)噪聲的能力更強。
采用開(kāi)關(guān)調節的 DC-DC 轉換器至少需要實(shí)施一種紋波降低技術(shù)，但該技術(shù)需要與適當的開(kāi)關(guān)頻率、功率輸出和負載工作頻率相匹配。負載阻抗也會(huì )對確定開(kāi)關(guān)轉換器的行為和實(shí)施的紋波降低技術(shù)的有效性有影響。本文將簡(jiǎn)要介紹幾種紋波降低技術(shù)，以及它們在新型電源設計中的最佳應用場(chǎng)合。
紋波降低技術(shù)：簡(jiǎn)易版與高級版
紋波降低技術(shù)可以通過(guò)無(wú)源電路或有源電路，以及線(xiàn)性或非線(xiàn)性器件來(lái)實(shí)施。實(shí)施主動(dòng)控制策略的一些算法試圖補償 DC-DC 轉換器輸出的波紋，其過(guò)程可能有點(diǎn)復雜，最好利用專(zhuān)用的 ASIC 來(lái)實(shí)施。
利用 LDO 進(jìn)行調節
這種策略是一種入門(mén)級的紋波降低技術(shù)，適用于使用直流電源的器件。許多數字器件包含一個(gè)用于降低紋波的片上低壓差 (LDO) 線(xiàn)性穩壓器，提供的紋波降低效果可以達到 80dB 左右，這意味著(zhù)紋波可以降低 1 億倍！這類(lèi)設計的原理是在器件中使用一個(gè)比較器和一個(gè)穩定的硅帶隙參考電壓源，使輸出電壓飽和。然而，該方法是通過(guò)飽和來(lái)降低噪聲，因此當輸入電壓差和輸出功率過(guò)高時(shí)，器件會(huì )產(chǎn)生大量的熱量。
線(xiàn)性穩壓器可以大幅降低紋波
濾波
用低通濾波器或陷波濾波器進(jìn)行過(guò)濾，是解決紋波頻率問(wèn)題的一種策略。這種方法在直流穩壓器中效果較好，特別是在實(shí)施濾波的時(shí)候。在 pi型（LC 電路）中實(shí)現的簡(jiǎn)單高階無(wú)源濾波，可以在傳遞函數中提供很高的滾降系數，但需要非常大的電感和電容來(lái)濾除典型的 PWM 頻率。一個(gè)更復雜的策略是使用有源濾波技術(shù)，將電抗添加到反饋環(huán)路中，這種方法可以提供非常高的直流增益并抑制交流輸出。
反饋控制
反饋環(huán)路隱含在一些高度集成的開(kāi)關(guān)穩壓器器件中，特別是那些在同一封裝中實(shí)現 PWM 振蕩器、柵極驅動(dòng)器和 FET 級的器件。對于在非常高的功率輸出下運行的更先進(jìn)的設計，需要一組分立器件來(lái)實(shí)現反饋回路的控制策略。一旦輸出上的波紋可以與直流輸出一起被感知到，能夠調整 PWM 驅動(dòng)信號和驅動(dòng)頻率的控制策略可以同時(shí)穩定輸出水平和波紋。電源系統設計師們對這個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行了積極的研究。
較大的電感器和較高的 PWM 頻率
這兩種方法應該同時(shí)提及，因為它們是用于設置開(kāi)關(guān)穩壓器中初始紋波值的標準工具（在標準降壓、升壓和降壓-升壓設計中）。紋波水平與輸出電感和 PWM 頻率成反比，因此增加這兩者將降低輸出口上測得的紋波。
在較低的開(kāi)關(guān)頻率下，需要使用大型電感器才能達到目標紋波值。
多相調節
多相轉換器實(shí)現了多個(gè)并聯(lián)的開(kāi)關(guān)級，但在相位上是彼此分開(kāi)的。雖然這些電路可能要復雜得多，但它們的作用類(lèi)似于單級穩壓器，具有更大的開(kāi)關(guān)頻率和電感器。其結果是大大降低了輸出端測得的紋波。只要輸出過(guò)濾級的截止頻率高于基帶頻率，這些穩壓器就可以用于直流負載或調頻信號的高頻交流負載。這些轉換器還可以提供高電流，同時(shí)不會(huì )對器件造成過(guò)大的壓力，因為開(kāi)關(guān)負載被分散到多個(gè)開(kāi)關(guān)級上。
紋波降低技術(shù)總結
下表說(shuō)明了各種紋波降低技術(shù)在哪種情況下適合用于開(kāi)關(guān)式 DC-DC 轉換器。設計師應該注意使用各個(gè)方法來(lái)實(shí)現紋波降低，因為如果在錯誤的情況下使用，相應的機制可能會(huì )失效。
最后要考慮的一點(diǎn)是，這些方法在新的設計中往往是一起實(shí)施的。例如，用于射頻電源系統和大功率射頻發(fā)射器的降壓轉換器可以使用高階低通濾波、多相調節和高 PWM 頻率（幾 MHz 或更高），并在反饋回路中采用無(wú)源或有源控制方法。選擇正確的技術(shù)組合需要考慮各個(gè)因素，從負載的行為到轉換器級的操作。要評估這些設計，可以從帶有高精度器件模型的 SPICE 仿真開(kāi)始入手。
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